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La vida artificial ya está aquí | EL PAÍS


El ensamblaje del ADN permite fabricar una levadura con una parte de su genoma sintética

El avance permitirá conseguir mejores antibióticos o biocombustibles

 

Científicos de varias universidades norteamericanas y europeas han logrado “el monte Everest de la biología sintética”, como dicen los editores de Science: el primer cromosoma eucariótico fabricado en el laboratorio. Se trata de un cromosoma de levadura, el hongo que se usa para hacer cerveza, pan, biocombustible y la mitad de la investigación sobre los organismos eucariotas, como nosotros. La capacidad de introducirle un cromosoma sintético a ese organismo permitirá mejorar todo lo anterior, como hacer biocombustibles más sostenibles para el entorno o diseñar nuevos antibióticos, además de un nuevo continente de investigación sobre la pregunta del millón: cómo construir el genoma entero de un organismo superior. La reconstrucción de un neandertal, por ejemplo, sería imposible sin este paso esencial.

La biología sintética es una disciplina emergente que trata no ya de modificar organismos, sino de diseñarlos a partir de principios básicos. En los últimos cinco años ha logrado avances espectaculares, como la síntesis artificial del genoma completo de una bacteria y varios virus. Pero esta es la primera vez que consigue fabricar un cromosoma completo y funcional de un organismo superior, o eucariota (una célula buena, en griego, la que forma los humanos). El consorcio liderado por Jef Boeke, director del Instituto de Genética de Sistemas de la Universidad de Nueva York, presenta su rompedor resultado en la revista Science.

“Nuestra investigación mueve la aguja de la biología sintética desde la teoría hasta la realidad”, dice Boeke, uno de los pioneros de este campo. “Este trabajo representa el mayor paso que se ha dado hasta la fecha en el esfuerzo internacional para construir el genoma completo de una levadura sintética”.

Boeke empezó este proyecto hace siete años en otra universidad, la Johns Hopkins de Baltimore, enrolando a 60 estudiantes universitarios en un proyecto llamado Build a genome (construye un genoma). Las técnicas para sintetizar ADN han mejorado mucho en la última década, pero suelen producir tramos bastante cortos de secuencia, no mucho más allá de 100 o 200 letras (tgaagcct…). Los estudiantes se ocuparon de ir pegando esas secuencias sintéticas en tramos cada vez mayores. El cromosoma final mide cerca de 300.000 letras.

Que un hito científico se refiera a la levadura (Saccharomyces cerevisiae),un hongo unicelular que ya utilizaban los antiguos egipcios para hacer la cerveza, parece una buena paradoja o un mal chiste, pero no es así. La división fundamental entre todos los seres vivos de la Tierra no es la que existe entre plantas y animales, ni entre microorganismos y especies grandes o macroscópicas: es entre procariotas (bacterias y arqueas) y eucariotas (todos los demás, incluidos nosotros).

Y lo importante de la levadura es que, por mucho que sea un organismo unicelular, cae en nuestro lado de la barrera. No es exagerado decir que la mayor parte de lo que sabemos sobre la biología humana se debe a la investigación de este familiar hongo de apariencia modesta. La levadura tiene unos 6.000 genes, y comparte un tercio de ellos con el ser humano, pese a los 1.000 millones de años de evolución que nos separan.

Los cromosomas son los paquetes en que se reparte el genoma de los organismos superiores, o eucariotas. Son mucho más que un trozo de ADN: están empaquetados en complejas arquitecturas formadas por centenares de proteínas que interactúan con el material genético, como las histonas. Están dotados de un centrómero, la maquinaria especializada en distribuir una copia del genoma a cada célula hija en cada ciclo de división celular; y sus extremos están protegidos por unos sistemas singulares, los telómeros, que garantizan la integridad de la información genética en cada ciclo de replicación. De ahí que el logro actual vaya mucho más allá que la síntesis del genoma de una bacteria que se había logrado hasta ahora.

Los humanos tenemos el genoma dividido en 23 cromosomas (o pares de cromosomas); la levadura lo tiene distribuido en 16, y los científicos se han centrado en el más pequeño de ellos, el número 3. Han extraído al hongo su cromosoma 3 natural y lo han sustituido por su versión sintética, llamada synIII, que cubre las funciones de su colega natural pese a estar extensivamente alterado con toda clase de elementos artificiales diseñados para facilitar su manipulación en el futuro inmediato.

La fabricación de antibióticos es actualmente obra de microorganismos

Que el cromosoma sintético funcione en su entorno natural, una célula viva de levadura, es el verdadero hito del trabajo, según los investigadores. “Hemos mostrado”, dice Boeke, “que las células de levadura que llevan el cromosoma sintético son notablemente normales; se comportan de forma casi idéntica a las levaduras naturales, salvo por que ahora poseen nuevas capacidades y pueden hacer cosas que sus versiones silvestres no pueden hacer”.

La versión natural del cromosoma 3 de Saccharomyces cerevisiae tiene 316.667 bases (las letras del ADN a, g, t, c). La versión sintética es un poco más corta, con 273.871 bases, como consecuencia de las más de 500 alteraciones que los científicos han introducido en él. Entre estas modificaciones se encuentra la eliminación de muchos tramos de ADN repetitivo que no tienen función alguna, ya estén situados entre un gen y otro (secuencias intergénicas) o dentro mismo de los genes (intrones).

También han eliminado los transposones, o genes que saltan de una posición a otra en el genoma de todos los organismos eucariotas. El cromosoma artificial synIII también lleva muchos tramos de ADN añadidos por los investigadores. El número total de cambios de un tipo u otro se acerca a los 50.000, pese a lo cual el cromosoma sintético sigue siendo funcional.

Pese a sus evidentes implicaciones para la biología fundamental –¿puede construirse el genoma de un organismo superior, incluido el ser humano, a partir de compuestos químicos sacados de un bote de la estantería?—, el proyecto tiene sobre todo objetivos aplicados. Y no solo en las áreas industriales, como la fabricación de pan y bebidas, en las que este organismo se ha utilizado siempre.

Ya ha habido virus y bacterias de laboratorio

Una de las aplicaciones que resaltan los autores es la mejora en la manufactura de medicinas como la artemisina para la malaria o la vacuna para la hepatitis B. Como la mayoría de los antibióticos provienen de hongos, y la levadura es uno de ellos, también cabe predecir avances en el diseño y producción de estos medicamentos.

Más a largo plazo, las levaduras sintéticas pueden facilitar la síntesis de medicamentos anticancerosos como el Taxol, cuya vía de síntesis es tan complicada e implica a tantos genes que supone un formidable escollo para las tecnologías convencionales. En un área industrial muy distinta, esta tecnología, según esperan sus autores, servirá para desarrollar biocombustibles más eficaces que los actuales, entre ellos alcoholes como el butanol, y también diésel de origen biológico.

Y, por supuesto, synIII es solo el primero de los 16 cromosomas de la levadura que los investigadores logran sintetizar. Los intentos de repetir la hazaña con los otros 15 cromosomas ya están en proyecto, y forman parte de un programa internacional llamado Sc 2.0 que implica a científicos de Estados Unidos, China, Australia, Singapur y el Reino Unido. En el nombre del proyecto, Sc es por Saccharomyces cerevisiae,el nombre científico de la levadura de la cerveza, y el 2.0 quiere enfatizar lo mucho que los seres vivos están a punto de parecerse a cualquier otro desarrollo tecnológico. El objetivo es construir un genoma completo de levadura, o el primer organismo complejo sintetizado en el tubo de ensayo.

Echando la vista más hacia el futuro, cabe especular sobre la resurrección de especies extintas como el mamut o el neandertal, cuyos genomas ya han sido secuenciados a partir de sus restos fósiles. Si estos proyectos llegan a abordarse alguna vez, tendrán que basarse en una técnica similar a la que Boeke y sus colegas acaban de poner a punto para este engañosamente simple hongo que tan servicial ha resultado a la especie humana desde los albores del neolítico.

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La célula: una biblioteca de imágenes


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Dos recursos gratuitos imprescindibles para los estudiantes de citología e histología. Buenas resoluciones en las fotografías y unas explicaciones más que suficientes de las figuras. 
Ojalá dentro de unos años podáis vosotros añadir imágenes de vuestras investigaciones en estos y otros blogs universitarios. GRACIAS MIL!
 

 La célula: una biblioteca de imágenes – Imágenes de Cellcomponent: retículo endoplasmático.

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Maquinaria del tráfico celular


Al tiempo que usted lee este artículo, millones de terminales nerviosos liberan sustancias químicas que permiten a las neuronas comunicarse y que, en última instancia, le posibilitarán entender —o al menos eso esperamos— lo que pretendemos contarle. Bernhard Katz (premio Nobel en 1974) reveló que un impulso nervioso aumenta la concentración del ion calcio causando la liberación del neurotransmisor almacenado en pequeños paquetes, las vesículas sinápticas. De manera similar se produce la liberación al torrente sanguíneo de hormonas, como la insulina en las células pancreáticas, o de los mediadores inflamatorios en las células del sistema inmune.

Este año, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina ha reconocido los descubrimientos de la maquinaria molecular que hace que las sustancias que una célula fabrica y almacena puedan liberarse de manera precisa y controlada, salvando la membrana celular que separa el interior celular del medio externo. Los galardonados han sido James E. Rothman (Universidad de Yale), Randy Scheckman (Universidad de Berkeley) y Thomas C. Südhof (Universidad de Stanford).

Thomas Südhof. / JORGE GUERRERO (AFP)

A principios de los años ochenta, Scheckman utilizó un organismo unicelular, la levadura de la cerveza, para identificar genes clave codificadores de proteínas implicadas en el transporte intracelular. Las levaduras se parecen mucho a las células de mamífero y su manipulación genética es sencilla. En levaduras mutantes, Scheckman asoció genes concretos con alteraciones específicas del tráfico intracelular.

Rothman estudió el transporte en las cisternas de un compartimento celular —el aparato de Golgi— de donde purificó proteínas que serían cruciales en los modelos de fusión vesicular, como NSF y SNAP. Vivek Malholtra, hoy en el Centro de Regulación Genómica de Barcelona, estudió con Rothman la proteína NSF.

Las maquinarias moleculares dentro de la célula están formadas por múltiples proteínas que interaccionan entre sí como lo haría la maquinaria de un reloj. En 1993, Rothman, interesado en identificar las piezas de la maquinaria encargada de la fusión vesicular, utilizó, en colaboración con Richard Scheller (hoy en Genentech, EE UU), las proteínas NSF y SNAP como cebos para capturar bioquímicamente otras que engranasen con ellas. Así identificó tres proteínas de los terminales nerviosos previamente descritas por otros investigadores (sintaxina, SNAP25 y VAMP/sinaptobrevina), cuya asociación denominó posteriormente complejo SNARE, y propuso que este podía constituir la maquinaria general para posibilitar la fusión de una vesícula con la membrana celular, igual que dos pompas de jabón de funden cuando se tocan.

Randy W. Scheckman. / EFE

Es en el sistema nervioso donde esta maquinaria de relojería ha de tener mayor precisión, pues la transmisión sináptica acontece en milésimas de segundo. En 1985, Südhof inició su carrera con el propósito —en gran parte cumplido— de identificar todas las proteínas de una vesícula sináptica y comprender cómo estas inducen la liberación de los neurotransmisores, utilizando una poderosa combinación de genética y fisiología en ratones. Tanto de manera independiente, como en colaboración con el bioquímico Reinhard Jahn (Instituto Max-Planck, Göttingen) y con el biólogo estructural barcelonés José Rizo (UT Southwestern, Dallas), Südhof identificó y definió el papel de múltiples proteínas clave (incluidas las SNARE) en la fusión de las vesículas con la membrana celular. Una de estas proteínas es la sinaptotagmina, que Südhof demostró ser el sensor de calcio necesario para la liberación rápida de neurotransmisores. En esta demostración, una de las aportaciones clave de Südhof, participaron dos españoles, uno de los autores de este artículo (RF-C) y Rizo. La búsqueda de este sensor de calcio era una pregunta de enorme interés que permanecía abierta en la neurociencia desde hacía 50 años.

James Rothman. / AFP

La insaciable curiosidad de Südhof le ha llevado a abrir nuevas fronteras en la biología de los terminales nerviosos que han dado lugar al descubrimiento en su laboratorio de otras proteínas, las neurexinas y las neuroliguinas, cuya disfunción está implicada en trastornos cerebrales graves, como el autismo.

Las investigaciones premiadas este año son el paradigma de la investigación básica de excelencia, realizada para saciar la curiosidad humana, motor del progreso y esencial para avanzar en beneficio de la humanidad. En los tiempos que corren, es de esperar que noticias como esta estimulen el apoyo decidido a la investigación básica de calidad. La semana pasada, en la Universidad Internacional de Andalucía en Baeza, al poco de recibir la noticia de la concesión del Premio Nobel, Südhof declaraba que el conocimiento profundo del cerebro es esencial para poder tratar con éxito sus enfermedades. No podemos estar más de acuerdo con esa reflexión.

Rafael Fernández-Chacón es investigador del Instituto de Biomedicina de Sevilla (HUVR-CSIC-US) y profesor del Departamento de Fisiología Médica y Biofísica, Ciberned. Juan Lerma es el director del Instituto de Neurociencias de Alicante, CSIC-UMH.

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El propio cuerpo se defiende del cáncer


La nueva esperanza contra la enfermedad llega de fármacos que estimulan el sistema inmune

La terapia se ha mostrado eficaz en melanomas y, algo menos, en los casos de riñón y pulmón

 

Antoni Ribas aún recuerda la cara de asombro de sus compañeros cuando, al acabar la residencia, hace 17 años, les dijo que se iba a Estados Unidos a especializarse en inmunología tumoral. Por entonces, estimular las defensas del cuerpo para luchar contra el cáncer era considerado por la comunidad médica como un camino que no llevaba más que a una vía muerta.

Esa misma cara de sorpresa es la que, probablemente, hayan puesto algunos de aquellos colegas al ver los esperanzadores resultados de una nueva generación de fármacos que ayudan a que sea el propio cuerpo el que combata las células tumorales. Estos medicamentos, aún en desarrollo, tienen como objetivo impedir que las células cancerosas se escondan y escapen de las células del sistema inmune, los linfocitos. Con todas las reservas que hay que tomar en la lucha contra esta enfermedad tan compleja (o enfermedades, hay unas 200 distintas y cada paciente responde de forma diferente a cada una) ya hay quien habla de una nueva etapa frente al cáncer. “Los nuevos avances presentados constituyen en cierto modo una revolución en la estrategia para el tratamiento contra la enfermedad y, en algunos casos, marcará un antes y un después”, afirma César Rodríguez, secretario científico de la Sociedad Española de Oncología Médica (SEOM), quien asistió a la presentación de los resultados de algunas de estas terapias en el Congreso de la Sociedad Americana de Oncología Médica (ASCO) celebrado en Chicago hace unos meses.

Se trata de tratamientos experimentales en su gran mayoría

Antoni Ribas, que desde el Jonsson Comprehensive Cancer Center de la Universidad de California Los Ángeles (UCLA) se ha convertido en uno de los especialistas en inmunología tumoral más respetados del mundo, es el responsable de uno de los estudios que más atención ha despertado. El médico e investigador catalán ofreció los primeros resultados (fase I) obtenidos de la administración de lambrolizumab —un medicamento en desarrollo— en 135 pacientes con melanoma avanzado. En un 40% de los enfermos se consiguió reducir el tamaño del tumor en más de la mitad. Entre los que recibieron la dosis más alta, mostraron una mejoría el 52% de los pacientes. En general, se mostró eficaz en el 70% de los casos. Es “la mayor tasa de respuesta duradera al melanoma de cualquier fármaco probado hasta el momento para el melanoma, y sin efectos secundarios graves en la mayoría de los casos”, según los autores del ensayo.

Más allá de los resultados obtenidos, lo realmente interesante del fármaco es el cambio de concepto que supone su mecanismo de acción. El medicamento, desarrollado por Merck, no destruye las células cancerosas. Ni interfiere en mecanismos moleculares del tumor para que no prolifere. En lugar de ello, consigue desactivar el escudo que usan las células tumorales para camuflarse, despistar y esquivar al ataque de los linfocitos T, las células del sistema inmune encargadas de combatirlas.

Los linfocitos reconocen a las células tumorales a través de una molécula, denominada muerte programada 1 (PD-1, con siglas inglesas), que tienen en su membrana. Cuando esta proteína entra en contacto con la superficie de las células neoplásicas, las reconoce y el sistema inmune las ataca. La PD-1 actuaría como detector de células malignas de los linfocitos. Sin embargo, entre los mecanismos de resistencia que han desarrollado los tumores contra las estrategias de defensa del cuerpo se encuentra una proteína que está en la superficie de algunas células tumorales y que bloquea los detectores de células cancerígenas, los PD-1. Esta molécula, denominada PD-L1, se une a las proteínas PD-1 y las inactiva. De esta forma, el linfocito identifica a la célula tumoral como no peligrosa y no la ataca, por lo que el tumor sigue proliferando sin que se desate una respuesta del sistema inmune.

La inmunoterapia se abre paso

Estimular el sistema inmune contra el cáncer es una estrategia que se lleva desarrollando desde hace tres décadas sin que, hasta el momento, se hubieran conseguido resultados esperanzadores.

A partir de los últimos años se está avanzando en el conocimiento de los mecanismos que permiten a los linfocitos, las células del sistema inmunitario, combatir a las células tumorales.

Estas investigaciones han abierto las puertas a la posibilidad de elaborar fármacos, la gran mayoría aún en desarrollo, que capacitan a los leucocitos para detectar y combatir a las células tumorales y que esquivan las estrategias de engaño que desarrollan los tumores.

Los buenos resultados obtenidos, especialmente en el tratamiento del melanoma avanzado, gracias al uso de estas terapias, llevan a los médicos a la creencia de que se puede abrir una nueva etapa en la lucha contra la enfermedad.

E Este nuevo abordaje se sumaría a las técnicas actuales, que también son cada vez más eficaces. Por un lado, los tratamientos basados en la quimioterapia o la radioterapia. Por otro, los tratamientos específicos dirigidos a frenar la proliferación de cada tipo concreto de tumor.

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En la base de este mecanismo están los frenos que ha desarrollado el cuerpo humano para impedir los procesos autoinmunes. Estos fenómenos se desencadenan cuando se produce un desajuste en el sistema inmunitario por el cual las defensas combaten las células sanas que deberían proteger. La comunicación que se establece entre el PD-1 y el PD-L1 forma parte de las estrategias destinadas a que el sistema inmune reconozca a las células del propio cuerpo y no las considere peligrosas. Es decir, para que ataque agentes invasores o células malignas que se replican de forma descontrolada, pero no a sus propias células sanas. El problema surge cuando los tumores se disfrazan de células sanas generando PD-L1 o sobreexpresándolo, lo que les permite evadir su aniquilación.

El medicamento que ha desarrollado Ribas bloquea el receptor PD-1 de los linfocitos, de forma que las células tumorales ya no pueden disfrazarse de sanas. El estudio muestra cómo gracias a este fármaco, los linfocitos combaten no solo la neoplasia primaria sino también las metástasis.

Los laboratorios han advertido la importancia de esta estrategia terapéutica y están dedicando sus esfuerzos (y sus recursos) a explorar estas vías tan prometedoras que ya han dado sus primeros resultados. Es el caso del ipilimumab (Yervoy en su nombre comercial, de Bristol-Myers Squibb), que llegó al mercado español en diciembre del año pasado para tratar el melanoma metastásico en el que hubieran fallado terapias previas.

Este medicamento bloquea otra proteína de la membrana de los linfocitos T (la CTLA4) que también inhibe la activación de las defensas. Como el lambrolizumab, el fármaco se une al receptor de la célula del sistema inmune y permite que ataquen a las células neoplásicas.

El lambrolizumab fue eficaz en el 70% de los pacientes de un ensayo

Quizás el futuro de la inmunoterapia contra el cáncer consista en bloquear no uno, sino varios de los interruptores que apagan la actividad de los linfocitos. A esta dirección apunta otro de los trabajos que se presentaron en ASCO. Investigadores del Ludwig Center for Cancer Immunotherapy del Memorial Sloan-Kettering Cancer Center de Nueva York han combinado dos medicamentos que actúan sobre inhibidores del control inmunitario. Uno de ellos es el ipilimumab. El otro es un fármaco en desarrollo denominado nivolumab (otro inhibidor de PD-1). A pesar de que el ensayo se circunscribió a un grupo pequeño de pacientes (86) con melanoma metastásico, en determinadas dosis se produjo una reducción del tumor del 80% en la mitad de los enfermos a las 12 semanas.

Estos son algunos de los trabajos más sólidos. Pero hay bastantes más medicamentos que están explorando los caminos que eliminan las barreras que frenan la acción de los linfocitos contra el cáncer. Algunos son variaciones sobre el mismo tema, como la inhibición de los ligandos de la célula tumoral, la molécula PD-L1. En este caso, no se bloquea el receptor en los linfocitos que les impide actuar, sino el señuelo que emplea el cáncer para confundirlos.

El hospital Vall d’Hebron de Barcelona participa en un ensayo de un anticuerpo monoclonal (Medi4736) que bloquea el PD-L1 desarrollado por el laboratorio MedImmune. Javier Cortés, jefe de la Unidad de Cáncer de Mama y de la Unidad de Melanoma del centro, explica que están analizando sus efectos en pacientes con cáncer de mama. “Tenemos datos provisionales pero muy interesantes”, comenta.

La estrategia consiste en evitar que se escondan las células malignas

En todo caso, quedan cuestiones por resolver relacionadas con la inmunoterapia aplicada al cáncer. Por ejemplo, la diferente respuesta que se da entre los pacientes. Mientras en algunos es limitada, en otros es espectacular. Ribas cita el caso de una paciente con melanoma que participó en los primeros ensayos del fármaco ipilimumab, hace 12 años, y vio cómo su tumor ha llegado a desaparecer. En un 10% de los casos —como este—, la respuesta es duradera. El sistema inmune aprende a reconocer las células tumorales y a mantenerlas a raya, lo que supone una ventaja respecto al resto de tratamientos. “Quizás en los casos en los que hay una respuesta total se deba a que el sistema inmune de estos pacientes no está tan frenado como en el resto”, comenta Ribas.

Otro aspecto pendiente de resolver consiste en saber por qué los mejores resultados se han obtenido en pacientes con melanoma y, a distancia, cáncer de pulmón y riñón. “En los dos primeros, suelen ser tumores inducidos por agentes carcinógenos, como el sol o el tabaco, que provocan mutaciones del ADN. Es probable que debido a estas mutaciones generen proteínas que puedan reconocerse por el sistema inmune como extrañas y sean más fáciles de reconocer”, añade el médico e investigador de UCLA.

Más allá de estas cuestiones, los buenos resultados que está arrojando la inmunoterapia contra el cáncer dejan cada vez menos margen a los escépticos. “Los datos que están saliendo [de los ensayos] son espectaculares”, comenta Javier Cortés, “sobre todo en el caso del melanoma, cuyo tratamiento está sufriendo una revolución”. “Estamos empezando a conocer mucho mejor la respuesta inmune [contra los tumores], de forma que la podamos potenciar y optimizar”.

Algunos de los tratamientos sí han resultado eficaces a largo plazo

Javier Guillem incide en ello. Este especialista es el jefe de oncología médica del Instituto Valenciano de Oncología (IVO), una fundación especializada en el tratamiento de las neoplasias que funciona como centro de referencia en la Comunidad Valenciana. Guillem se define como un converso. “Yo era un escéptico de la inmunoterapia, pero ahora creo en ella”, comenta con media sonrisa.

Este oncólogo recuerda que desde hace décadas se han estado usando fármacos (interleuquinas, citoquinas como el interferón) que potencian el sistema inmune contra el cáncer. Sin embargo, no se sabía demasiado bien cómo actuaban. La diferencia con el momento actual es que “el cáncer se escapa de los mecanismos de defensa del cuerpo y ahora sabemos por qué”. “Ahora sí puedo afirmar que creo en la inmunoterapia”, sostiene, “no es una teoría, sino que comienza a dar buenos resultados e incluso en algunos casos mejores que con cualquier otra terapia”.

Además de la quimioterapia y los tratamientos personalizados basados en las características genéticas de cada individuo, todo apunta a que la oncología contará en breve con nuevas herramientas basadas en la inmunoterapia, fruto de los fármacos que ya se están desarrollando, así como del resto de líneas de investigación en proceso. “En los últimos 10 años se ha generado más información científica relacionada con el cáncer que en los 2.000 años anteriores”, destaca Guillem.

El propio cuerpo se defiende del cáncer | Sociedad | EL PAÍS.

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RNAi Treatment Steps Up | Science


Laguna Design/Science Source. Quieting disease. siRNA molecules like the one shown here (purple and green coils) may treat an inherited liver illness, a new study reports.

RNA interference (RNAi), a technique for silencing genes that shows potential for treating diseases, has been like a hot baseball prospect who hasn’t proven he can play in the big leagues. But now RNAi has turned in a performance that is winning researchers’ praise. A new study shows that the approach can dramatically and safely cut levels of a protein that causes a rare liver disease.

Our cells rely on RNAi—deploying diminutive RNA molecules such as microRNAs and small interfering RNAs (siRNAs)—to turn down activity of specific genes. Researchers only discovered this process in the late 1990s, but they’ve already begun dozens of clinical trials to gauge whether infusing patients with these small RNAs works against a range of diseases, from lung infections to liver cancer to age-related macular degeneration, a sight-stealing condition that mainly affects people over the age of 50. Although some results are promising, what remains unclear is whether an effective dose of RNAi will also be safe, says nucleic acid biologist Mark Kay of Stanford University in Palo Alto, California.

In the new work, neurologist Teresa Coelho of the Hospital de Santo Antonio in Portugal and colleagues tested RNAi in patients who had transthyretin amyloidosis, a fatal genetic disease in which liver cells pump out excess amounts of a protein called transthyretin. Normally, transthyretin ferries hormones through the blood, but the extra protein builds up in the nerves, the heart, and elsewhere in the body. Although liver transplants can lengthen the lives of some patients, the disease remains incurable.

The team infused 24 transthyretin amyloidosis patients with an siRNA that curbs cells’ production of the protein. Because RNA-destroying enzymes prowl the spaces between our cells, the siRNAs were tucked inside tiny lipid droplets, known as lipid nanoparticles. Control patients received an infusion of saline. Using a group of healthy subjects, the researchers also tested a slightly different lipid nanoparticle that carried the same siRNA.

In the transthyretin amyloidosis patients, siRNA treatment cut transthyretin levels by 38% after 7 days, the researchers report online today in The New England Journal of Medicine. The healthy patients who received the alternative lipid nanoparticles showed an even bigger decrease, averaging as much as 87%. Those results reveal that liver cells absorbed the lipid nanoparticles and the siRNAs inside turned down transthyretin output. Coelho calls this an “important reduction” in the protein, though the researchers didn’t determine whether siRNA slowed the progress of the disease. They will be measuring that in a 15-month follow-up study that will take place in the United States, Europe, and South America.

Some patients developed allergylike reactions, with symptoms such as flushing and chest tightness. But these problems usually went away if the delivery of the nanoparticles was stopped and then resumed at a slower pace, Coelho says.

The study “unambiguously shows that you can achieve a robust [protein decrease] in humans using RNAi therapeutics,” Kay sats. “This opens the door to medicinal RNAi,” adds molecular biologist David Corey of the University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas.

siRNAi therapy could also work against other liver diseases, says molecular geneticist John Rossi of City of Hope in Duarte, California. But he cautions that “since the lipid carriers primarily target the liver, it is not apparent to me if nonliver based diseases can be treated in a similar fashion.”

Controlling diseases such as transthyretin amyloidosis would presumably require multiple treatments over several years, so researchers also need to find out if the siRNA and lipid nanoparticle combination is safe over the long term, Kay says.

RNAi Treatment Steps Up | Science/AAAS | News.

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La mitocondria se queda vieja en los libros de texto | Biociencia


  • Un trabajo redefine los mecanismos celulares de obtención de energía
  • Científicos españoles demuestran que la mitocondria se adapta a cada dieta
  • El hallazgo abre nuevas vías de estudio de la obesidad y otras enfermedades

Reconstrucción molecular del complejo de la mitocondria.| CNIC

Si rebusca en su memoria, seguro que recuerda aquellas explicaciones en los libros de Biología sobre el funcionamiento de la célula. Dentro de aquellos dibujos, la mitocondria (con aspecto de alubia) se describía como la encargada de suministrar la energía que necesitan las células para funcionar. Los textos más avanzados, como los dirigidos a estudiantes de Medicina, iban más allá y entraban en detalles de qué partes de este orgánulo (y de qué manera) formaban el ‘generador energético’ del cuerpo humano. Un estudio español publicado esta semana en la revista ‘Science’ obligará a corregir esos libros de texto.

El estudio, dirigido por José Antonio Enríquez, investigador del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC), es la confirmación de una propuesta que estos mismos investigadores realizaron ya en 2008, y que cuestionaba la explicación tradicional (iniciada en los años cuarenta del siglo XX y consolidada en los setenta) sobre cómo la mitocondria extrae y convierte la energía de los alimentos. En el hallazgo han colaborado también investigadores del Hospital Miguel Servet de Zaragoza y de La Princesa, en Madrid.

Para funcionar, la célula extrae su ‘gasolina’ de los nutrientes de los alimentos, aunque antes necesita transformarlos en compuestos más sencillos (como la glucosa de los azúcares, los aminoácidos de las proteínas, los ácidos grasos de la grasa…). Sólo una vez ya ‘desmenuzados’, esos compuestos pueden entrar en la mitocondria de las células para que ésta genere la energía necesaria.

Complejos mitocondriales (amplíe para ver en grande). | Javier Novo, Universidad de Navarra.

La mitocondria transforma la energía en una molécula utilizable universalmente (llamada ATP) a través de cinco ‘máquinas’, los llamados complejos moleculares I, II, III, IV y V. Hasta hace muy poco se aceptaba que esos complejos ‘nadaban’ libres en la membrana interna de la mitocondria y no interaccionaban entre sí, algo que se ha demostrado inexacto.

El trabajo liderado por Enríquez demuestra, por el contrario, que los cinco complejos no son independientes, sino que se asocian físicamente en distintas combinaciones que tienen como objetivo optimizar la extracción de energía.

“Esto quiere decir que el sistema para optimizar la extracción de energía de los alimentos es más versátil de lo que se creía y puede modularse para ajustarse a la composición de los alimentos de la dieta“, señala el investigador principal del estudio. “Por ejemplo, las neuronas no pueden alimentarse de ácidos grasos sino que lo hacen a partir del piruvato, una sustancia derivada de la glucosa. Cuando ayunamos, el hígado, que puede alimentarse de ambos compuestos, decide tomar los ácidos grasos (como fuente de energía) y así reservar la glucosa para el cerebro”, explica Enríquez.

Este tipo de adaptaciones se realiza gracias al diferente esamblaje que hacen las ‘máquinas’ entre sí, según la nueva teoría propuesta. “Nuestro modelo no anula al anterior, que quedó establecido a finales de los setenta, sino que lo amplía, porque decía que todas las células del organismo funcionan de igual manera, pero lo que nosotros decimos es que hay una riqueza mayor para poder explicar todo esto y eso es gracias a los distintos esamblajes que establecen estos complejos”, afirma.

Investigación básica y clínica

Por otro lado, fruto de este estudio, se ha llegado a un descubrimiento inesperado. La estirpe de ratón más utilizada en estudios genéticos tiene dañado el mecanismo de esamblaje, por lo que se han planteado dudas de cómo interpretar y trasladar a los humanos las observaciones realizadas en esos modelos de ratón. “Esto es un aviso a tener presente cuando interpretamos los resultados de diferentes investigaciones”, advierte Enríquez.

A raíz de este hallazgo, el objetivo de este grupo de investigación es hacer estudios comparativos con estos ratones y otros, que tras añadirles un gen, sí que tienen procesos de ensamblaje entre las diferentes ‘máquinas’ de la mitocondria.

En cuanto a cómo el nuevo modelo mitocondrial puede afectar a la práctica clínica, Enríquez señala que este avance abre varias vías de investigación. “Por un lado, queremos explorar cómo las distintas situaciones nutricionales condicionan la respuesta del organismo. Porque creemos que este mecanismo de ensamblaje podría estar implicado en el motivo de que unas personas engorden más que otras al tomar un alimento o expliquen por qué una dieta engorda más que otra”.

También va a supeditar la forma en cómo se estudien a partir de ahoralas enfermedades mitocondriales. “Son patologías terribles e incurables y generan muchos interrogantes. Uno de ellos era saber por qué dos personas con el mismo defecto genético tienen enfermedades distintas. Esto no lo entendíamos hasta ahora. Pensamos que el nuevo modelo puede ayudar a interpretar mejor las razones y los síntomas”.

Una tercera avenida de estudio que se abre con este cambio conceptual es analizar cómo este esamblaje cambia con un ataque al corazón o con un infarto cerebral. “Dos de estas máquinas, la I y la III, son responsables de producir especies reactivas de oxígeno [su exceso mata al corazón]. Queremos saber si podemos regular esto y producir moléculas que generen una protección cardiaca”.

No obstante, este investigador advierte que no quiere dar falsas esperanzas. “No estamos cerca de controlar todo esto, necesitamos tiempo. Pero estamos trabajando dentro del CNIC, un centro que tiene una visión de futuro. Esto es el principio, es un gran cambio conceptual”, concluye.

La mitocondria se queda vieja en los libros de texto | Biociencia | elmundo.es.

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¿Cómo viajan las proteínas a través del Aparato de Golgi? |Scitable


El aparato de Golgi transporta y modifica las proteínas en las células eucariotas.¿Cómo han estudiado los científicos los movimientos dinámicos de proteínas a través del aparato de Golgi?

El aparato de Golgi es el orgánulo central de la mediación de la proteína y el transporte de lípidos dentro de la célula eucariota Normalmente, los libros de texto ilustran el aparato de Golgi como algo parecido a una pila de pan de pita. Sin embargo, esta representación no ilustra adecuadamente la naturaleza dinámica de los compartimentos del Golgi (llamados cisternae) o la variedad de morfologías con que el aparato de Golgi se manifiesta en diferentes tipos de células. Podemos aprender mucho simplemente preguntándonos por qué existen siquiera estas estructuras tan diversas. Los investigadores aún no entienden completamente cómo diversas morfologías del Golgi pueden afectar a su función. Sin embargo, los científicos están utilizando actualmente las sutiles variaciones de su morfolofgía entre los diferentes tipos de células para preguntarse cómo se mueven las proteínas a través del aparato de Golgi.

¿Qué sucede con las proteínas mientras se mueven por el aparato de Golgi?

El aparato de Golgi procesa las proteínas realizadas por el retículo endoplasmático (ER) antes de enviarlas a la célula. Las proteínas entran en el aparato de Golgi en el lado orientado hacia el ER (lado cis), y salen en el lado opuesto de la pila, frente a la membrana plasmática de la célula (lado trans). Las proteínas deben hacer su camino a través de la pila de cisternas que intervienen y en el camino serán modificadas y acondicionadas para su transporte a diferentes lugares dentro de la célula (Figura 1). Las cisternas del Aparato de  Golgi varían en número, forma y organización en diferentes tipos de células. La representación esquemática típica de tres grandes cisternas (cis, medial y trans) es en realidad una simplificación. A veces, regiones adicionales se añaden a cada lado, y se llaman la red cis del Golgi cis (CGN, cis Golgi net) y la red trans del Golgi (TGN, trans Golgi net). Estas redes tienen una estructura más variable, incluyendo algunas regiones like-cisternas y en algunas ocasiones regiones vesiculadas.

Figura 1: El aparato de Golgi modifica y ordena las proteínas para el transporte a lo largo de la célula. El aparato de Golgi se encuentra a menudo en estrecha proximidad a la sala de emergencias en las células. Proteína de carga se mueve desde el RE al aparato de Golgi, se modifica en el aparato de Golgi, y se envían a continuación a varios destinos en la célula, incluyendo los lisosomas y la superficie de la célula.

Cada cisterna o de la región del aparato de Golgi contiene diferentes enzimas de modificación de proteínas. ¿Qué hacen estas enzimas? Las enzimas del Golgi catalizan la adición o eliminación de los azúcares de las proteínas de carga (glicosilación), la adición de grupos sulfato (sulfatación), y la adición de grupos fosfato ( fosforilación). Las Proteínas de carga son modificadas por enzimas (llamadas enzimas residentes) ubicadas dentro de cada cisterna. Las enzimas añaden secuencialmente las modificaciones pertinentes a las proteínas de carga. Algunas modificaciones mediadas por el Golgi actúan como señales para dirigir las proteínas a sus destinos finales dentro de las células, incluyendo los lisosomas y la membrana plasmática. ¿Qué sucede cuando hay defectos en la función del Golgi? Los defectos en varios aspectos de la función de Golgi pueden dar como resultado trastornos congénitos de glicosilación, algunas formas de distrofia muscular, y pueden contribuir a la diabetes, cáncer y la fibrosis quística (Ungar 2009).

¿Cómo se mueven las proteínas de carga entre las cisternas del Golgi?

Los científicos han propuesto dos explicaciones posibles: el modelo de transporte vesicular y el modelo de maduración cisternal. Curiosamente, ambos modelos explican las condiciones de estado estacionario del aparato de Golgi y los procesos, sin embargo lo hacen muy diferente (Figura 2). En 2002 James Rothman y Randy Schekman ganaron el Premio Lasker por su trabajo pionero que detalla los sistemas de vesícula y membrana que hacen que la secreción sea posible en las células eucariotas. Estos dos científicos trabajaron de forma independiente utilizando diferentes organismos modelo y diferentes enfoques biológicos (Strauss 2009). Juntos lograron un fuerte evidencia de que hay moléculas y procesos comunes que participan en la fusión de membranas y la fisión en eucariotas. Rothman y sus colegas reconstituyeron bioquímicamente las membranas de Golgi de mamíferos, aislaron vesículas capaces de pasar de una cisterna a otra. Como un enfoque diferente, Schekman y sus colegas utilizaron la genética de levaduras para identificar y caracterizar muchas de las proteínas importantes que participan en la secreción de este eucariota unicelular. Con el tiempo Rothman y el trabajo de Schekman convergieron en varias moléculas importantes que participaron en la formación y fusión de vesículas, lo que condujo a lo que se dio en llamar el modelo de transporte vesicular.

Figura 2: Dos modelos de tráfico de proteínas a través del Golgi
(A) El modelo de la maduración cisternal de movimiento de la proteína a través del aparato de Golgi. Como una nueva cisterna cis se forma atraviesa la pila de Golgi, cambiando a medida que madura al acumular, entonces enzimas trans medial a través de vesículas que se mueven de adelante a principios de cisternas (tráfico retrógrado). (B) El modelo de transporte vesicular, donde cada cisterna permanece en un solo lugar con enzimas que no cambian, y las proteínas se mueven hacia adelante a través de la pila a través de vesículas que se mueven desde temprano para luego cisternas (tráfico anterógrada).


Modelo de Transporte vesicular: Evidencias

Una de las principales observaciones del grupo de Rothman fue que las vesículas que se formaron en el aparato de Golgi trasladaron proteínas de carga entre las cisternas de la cara cis a la cara trans. Estas observaciones apoyan el modelo de transporte vesicular originalmente desarrollado y defendido por George Palade y Marilyn Farquhar (Farquhar y Palade, 1998.) El modelo de transporte vesicular postula que las cisternas de Golgi son compartimentos estables que albergan ciertas enzimas de modificación de proteínas que funcionan para añadir o eliminar los azúcares, añadir grupos sulfato, y realizar otras modificaciones. Las vesículas llegan a cada cisterna que llevando proteínas de carga, que luego son modificadas por las enzimas residentes ubicados dentro de esa cisterna. A continuación, nuevas vesículas que llevan proteínasde carga brotan de la cisterna y viajan a la siguiente cisterna estable, donde la siguiente serie de enzimas adicionales procesa las proteínas de carga (Rothman y Wieland, 1996).

El Modelo de maduración cisternal

Antes de los trabajos de Palade, Farquhar, Rothman y otros, que analizaron las proteínas de vesículas en movimiento entre cisternas de Golgi, los científicos pensaban que cada cisterna del Golgi era transitoria y que las cisternas se trasladaban desde la cara cis a la trans del Golgi, cambiando con el tiempo. El movimiento de las proteínas como pasajeros en cisternas a través de la pila de Golgi se denomina el modelo de maduración cisternal. Este modelo propone que las enzimas presentes en cada cisterna individual cambian a medida que pasa el tiempo, mientras que las proteínas de carga permanecen en el interior de la cisterna. Antes del trabajo de Rothman en vesículas, este modelo tuvo un amplio apoyo. Sin embargo, una vez que los científicos identificaron un gran número de pequeñas vesículas de transporte que rodean el aparato de Golgi, los investigadores desarrollaron el modelo de transporte vesicular como una actualización de ésta. Sin embargo, como suele ocurrir en la ciencia (y la moda), las viejas ideas a veces regresan de nuevas maneras.
 

¿Qué nueva evidencia apoya el modelo de maduración cisternal?

En la década de 1990 los científicos estudiaron varios tipos de células para ampliar nuestra comprensión del Golgi. Alberto Luini y sus colegas utilizaron células de mamífero en cultivo para investigar cómo los grandes complejos de proteínas se movieron a través del aparato de Golgi. Los investigadores utilizaron inmunomicroscopía seguir el camino que seguían rígidos trímeros de procolágeno, en forma de barra de unos 300 nm, a través del Golgi en fibroblastos de mamífero. Luini y sus colegas observaron procolágeno sólo dentro de cisternas del Golgi, y nunca dentro de las vesículas, que son normalmente mucho más pequeñas (<100 nm de diámetro) que el procolágeno (Bonfantiet al . 1998). Otros investigadores, como Michael Melkonian y sus colegas, observaron resultados similares en el estudio del aparato de Golgi de las algas. Varios tipos de protistas flagelados construyen y exportan escamas que se adhieren a la superficie celular de estos organismos. Las escamas tienen diversos tmaños y formas pero muy definidos. Los investigadores observaron que en diferentes especies de algas que exportan las muy grandes (1,5-2 mm) y las de tamaño moderado (~ 40 nm), las escamas se encontraron consistentemente dentro de las cisternas, pero no en el transporte de vesículas (Becker, y Bolinger Melkonian 1995; Becker & Melkonian 1996). Los resultados de estos diversos tipos de células confirman el modelo de maduración cisternal de transporte de proteínas a través del aparato de Golgi.

¿Cuáles fueron las vesículas que Rothman descubrió en el aparato de Golgi? El modelo de maduración cisternal actual propone que estas vesículas son vehículos de transporte para las enzimas del Golgi y no para las  proteínas de carga. Las vesículas retrógradas que viajan hacia atrás en el aparato de Golgi brotan de una cisterna para transferir enzimas a las cisternas más jóvenes. Mientras tanto, otros vesículas, procedentes de cisternas mayores, llevan las enzimas necesarias para los próximos pasos en la modificación de proteínas (Glick y Malhotra 1998; Pellham 1998).

¿Qué modelo es más preciso?

Hoy en día la mayoría de los investigadores coinciden en que la evidencia favorece el modelo de maduración cisternal del Golgi (EMR et al. 2009). La evidencia en apoyo de este modelo proviene de los laboratorios de Benjamin Glick y Akihiko Nakano, que al mismo tiempo lleva a cabo experimentos que demostraron sorprendentemente el proceso de maduración cisternal. En un ensayo visual impresionante, ambos laboratorios utilizaron la microscopía de fluorescencia de células vivas para observar directamente la maduración cisternal del Golgi en Saccharomyces cerevisiae (levadura de panadero) (Figura 3) (Losev y col2006;. Matsuura-Tokita y col 2006;. revisado en Malhotra y Alcalde 2006). El aparato de Golgi de S. cerevisiae tiene una estructura llamativa, o más bien, una llamativa falta de estructura. En lugar de aparecer como la pila típica de pan de pita, en S. cerevisiae el Golgi es menos organizado. Las cisternas individuales se extienden de una manera irregular por toda la célula. Esta estructura inusual era ideal para el uso de microscopía de luz para observar los cambios en las cisternas individuales con el tiempo. El modelo de transporte vesicular podría predecir que una cisterna cis individual permanecería cis, con enzimas cis característicos, en toda su vida útil. Sin embargo, el modelo de maduración cisternal podría predecir que una cisterna cis recién formada eventualmente maduraría como cisterna medial, y a continuación, una cisterna trans, antes de romperse cuando su contenido se envasara para su destino final en la célula.

En sus experimentos, los dos grupos de investigación vincularon proteínas fluorescentes (verde brillante o rojo) a las proteínas presentes en diferentes cisternas individuales de S. cerevisiae , y siguieron a estas moléculas de color todo el tiempo. Los investigadores diseñaron los experimentos para poner a prueba las predicciones de los modelos de maduración cisternal y transporte vesicular. Si el modelo de transporte vesicular era correcto, entonces las cisternas serían estable y mantendrían las mismas proteínas residentes de Golgi marcadas con fluorescencia todo el tiempo. Por el contrario, si el modelo de maduración cisternal no era correcto, entonces cada cisterna contendría un conjunto cambiante de proteínas del Golgi con el tiempo. En sus experimentos, los investigadores crearon hermosas películas de la levadura y observaron que las cisternas individuales cambiaban de color con el tiempo. Después de analizar una variedad de proteínas de Golgi, los investigadores observaron consistentemente los cambios en la composición proteica de cisternas individuales con el tiempo. Sus resultados proporcionan una fuerte evidencia para el modelo de maduración cisternal.

 

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Un riojano, finalista en los Premios en la Investigación de California


Su trabajo con enzimas para reacciones no naturales le ha permitido ser uno de los veinte elegidos

Gonzalo Jiménez Osésdoctor en Química por la Universidad de La Rioja (UR) desde 2007, es uno de los finalistas de los Premios a la Excelencia Postdoctoral en la categoría de investigador en el área de Química y Bioquímica que entrega la Universidad de California Los Ángeles (Estados Unidos).

Jiménez Osés, que obtuvo el grado de doctor con una tesis sobre síntesis y reactividad de sulfatos y sulfamidatos cíclicos, se encuentra actualmente en esta universidad estadounidense, donde han pasadouna veintena a la fase final de los 1.200 investigadores postdoctorales que tiene.

Jiménez Osés se incorporó a esta Universidad de California en 2010, gracias a una beca de la Comunidad Autónoma de la Rioja, según ha detallado la UR en una nota. En 2011 consiguió una beca Fubright del Ministerio de Educación y, después, fue contratado para seguir trabajando en el grupo del profesor Kendall N. Houk, discípulo del Premio Nobel de Química R.B.Woordward.

Trabajo con farmacéuticas

Jiménez Osés trabaja actualmente en el diseño y evaluación de nuevas enzimas para reacciones que no existen en la naturalezamediante métodos computacionales y que, por su alto riesgo, requiere de mucho tiempo, tanto de trabajo computacional como de validación experimental.

Está terminando la fase computacional de diseño de dos reacciones no naturales, una metaloenzima y una fotoenzima, y, de forma paralela, colabora con dos compañías farmacéuticas para comprender la evolución de la actividad enzimática adquirida por enzimas naturales no activas mediante procedimientos de evolución dirigida en el laboratorio.

Estos estudios de dinámica molecular en la escala de microsegundo se llevan a cabo gracias a un superordenador (Anton), al que solo unos pocos grupos en el mundo pueden acceder mediante convocatoria competitiva.

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Reprograman células madre para crear huesos artificiales | Biociencia


Después de un accidente o una enfermedad degenerativa, muchos pacientes necesitan recurrir a injertos propios o implantes artificiales para tratar sus lesiones óseas. Aunque son muy útiles, estas soluciones no siempre consiguen reparar por completo el problema y en ocasiones provocan reacciones indeseadas o la pérdida de varias piezas, por lo que la investigación está tratando de encontrar nuevas alternativas más adecuadas.

Una de estas opciones podría venir de la mano de las células reprogramadas, tal y como sugiere un trabajo publicado esta semana en la revista ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’ (PNAS). Sus autores, entre los que figura el español Iván Marcos Campos, investigador de la Universidad de Columbia (EEUU) y adscrito al Instituto Aragonés de Ciencias de la Salud, han conseguido desarrollar huesos en el laboratorio a partir de células de la piel. Estas células fueron ‘alteradas’ para conseguir que su ‘reloj interno’ se retrotrajera a un estadio primitivo que permitiera después convertirlas en otro linaje celular.

De momento, el experimento sólo se ha probado en animales, pero los autores del trabajo auguran en la revista científica que su hallazgo abre la puerta a tratamientos reconstructivos personalizados.

La posibilidad de desarrollar ‘sustitutos’ de los huesos perfectamente adaptables al paciente y con su mismo perfil inmunológico permitiría solventar cualquier lesión eliminando al mismo tiempo todos los problemas asociados aseguran.

“Es una opción muy interesante porque permite solucionar un problema óseo sin que esto suponga ningún perjuicio para el paciente. Ahora, en muchas ocasiones, se realizan injertos utilizando otro hueso sano del enfermo, con todo lo que eso implica”, señala Marcos Campos a ELMUNDO.es.

Desarrollo de los huesos

Para llevar a cabo su trabajo, el equipo del que Marcos forma parte tomó células de la piel y las ‘reprogramó’ para hacer que ‘retrocedieran’ hasta un estado similar al embrionario. Después, ‘guiaron’ a estas células pluripotenciales (iPS) hasta convertirlas en células capaces de formar huesos y las colocaron en un andamiaje específico en tres dimensiones que emulaba la estructura de un hueso real. Después, a través de un biorreactor, estimularon el desarrollo del hueso hasta lograr su formación completa, como si de un proceso natural se tratara.

Los investigadores quisieron avanzar un paso más en su experimento y, una vez obtenidos los huesos de laboratorio, probaron su viabilidad y seguridad en un modelo animal.

Una de las dudas más importantes que genera el trabajo con iPS es la posibilidad de que las células reprogramadas formen tumores en última instancia, por lo que comprobar su funcionamiento a medio y largo plazo es fundamental.

Los investigadores colocaron los ‘sustitutos óseos’ generados en el laboratorio en varios ratones a los que realizaron un seguimiento durante 12 semanas. En ese tiempo, los animales no desarrollaron ningún proceso maligno y no experimentaron ningún rechazo hacia sus réplicas óseas. De hecho, los investigadores comprobaron que habían comenzado a integrarse en su organismo, a través de la formación de precursores de vasos sanguíneos.

“Este dato es clave ya que uno de los mayores problemas es conseguir la vascularización del hueso, que es fundamental para garantizar la viabilidad”, señala Marcos.

Además de esta característica, el material obtenido en el laboratorio tenía “las propiedades mecánicas adecuadas” y presentaba una buena osteointegración, entre otros signos, lo que permite ser optimista a largo plazo. Además, el mismo equipo ya consiguió probar la utilidad del método con células madre de la grasa y embrionarias, lo que abre el abanico de opciones a utilizar.

Sin embargo, pese al éxito de su trabajo, tanto Marcos como sus colegas científicos reclaman en la revista médica cautela antes de lanzar las campanas al vuelo. “Se requieren nuevas investigaciones para validar la funcionalidad y la seguridad” de estos huesos de ingeniería tisular, señalan.

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La teoría del filamento deslizante, la contracción muscular | Scitable


¿Cómo se contraen los músculos? ¿Qué moléculas son necesarias para que un tejido cambie su forma?
El músculo es un tejido contráctil especializado que les da una característica distintiva de los animales. Los cambios en la longitud del músculo apoyan una exquisita variedad de movimientos de animales, de la destreza de los tentáculos del pulpo y las ondas peristálticas de Aplysia a la coordinación precisa de linebackers y ballerinas. ¿Qué mecanismos moleculares dan lugar a la contracción muscular? El proceso de contracción tiene varios pasos clave, que se han conservado durante la evolución a través de la mayoría de los animales.

¿Qué es un Sarcómero?

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Figura 1: Un músculo gastrocnemio (gemelo), con patrón de rayas de sarcómeros
La vista de un músculo gastrocnemio del ratón (pantorrilla) bajo un microscopio. Los sarcómeros son de color verde artificial, y aparecen como rayas apilados horzontal de longitudes similares. (Barra de escala blanca = 25 micras).

Cuando las células musculares se observan bajo el microscopio, se puede ver que contienen un patrón de rayas (estrías). Este patrón está formado por una serie de unidades base llamado sarcómeros que están dispuestos en un patrón apilado en todo el tejido muscular (Figura 1). Puede haber miles de sarcómeros en una sola célula muscular. Los sarcómeros son altamente estereotipados y se repiten a lo largo de las células musculares, y las proteínas dentro de ellos pueden cambiar de longitud, lo que hace que la longitud total de un músculo pueda cambiar. Un sarcómero individual contiene muchos filamentos paralelos de actina (finas) y miosina (gruesos) (fig. 1A). La interacción de las proteínas de miosina y actina es la base de nuestra comprensión actual del acortamiento del sarcómero. ¿Cómo se produce esta reducción? Tiene algo que ver con una interacción deslizante entre la actina y la miosina.

La teoría del filamento deslizante

En 1954, los científicos publicaron dos documentos innovadores que describen las bases moleculares de la contracción muscular. Estos documentos describen la posición de los filamentos de la miosina y la actina en varias etapas de contracción de las fibras musculares y propusieron cómo esta interacción produce la fuerza contráctil. Usando microscopía de alta resolución, AF Huxley y R. Niedergerke (1954) y HE Huxley y J. Hanson (1954) observaron cambios en los sarcómeros del tejido muscular acortado. Ellos observaron que una zona de la configuración repetida del sarcómero, la “banda A,” se mantuvo relativamente constante en longitud durante la contracción (figura 2A). La banda A contiene filamentos gruesos de miosina, lo cual sugiere que los filamentos de miosina centrales se mantienen constantes en longitud, mientras que otras regiones del sarcómero se acortan. Los investigadores señalaron que la “banda I,” rica en filamentos delgados hechos de actina, cambia su longitud a lo largo del sarcómero. Estas observaciones llevaron a proponer la teoría del filamento deslizante, que establece que el deslizamiento de la actina pasando sobre miosina genera tensión muscular. Debido a la actina está atada a las estructuras situadas en los extremos laterales de cada sarcómero llamado discos Z, cualquier acortamiento de la longitud de los filamentos de actina daría lugar a un acortamiento del sarcómero y por lo tanto el músculo. Esta teoría se ha mantenido impresionantemente intacta.

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Figura 2: Comparación de un sarcómero relajado y contraído
(A) La organización básica de una subregión de sarcómero, que muestra la ubicación centralizada de la miosina (banda A). La actina y los discos Z se muestran en rojo. (B) Un diagrama conceptual que representa la conectividad de moléculas dentro de un sarcómero. Una persona de pie entre dos estanterías (bandas Z) tira de ellas mediante cuerdas (actina). Miosina (M) es análoga a la persona y los brazos de tracción. (Bandas Z también se llaman los discos z.)

Una analogía para el acortamiento del sarcómero

Imagínese que usted está de pie entre dos grandes estanterías llenas de libros. Estos grandes estanterías están a varios metros de distancia y se colocan en los carriles de modo que puedan ser movidas fácilmente. Se le da la tarea de llevar los dos estantes para libros juntos, y permiten usar sólo los brazos y dos cuerdas. De pie centrado entre las estanterías, se tira de las dos cuerdas – uno por cada brazo – que están atadas firmemente a cada biblioteca. De manera repetitiva, se tira cada cuerda hacia usted, la recupera, y luego tira de nuevo. Con el tiempo, a medida que avanza a través de la longitud de la cuerda, las estanterías se mueven juntas y se acercan a usted. En este ejemplo, los brazos son similares a las moléculas de miosina, las cuerdas son los filamentos de actina y las estanterías son los discos Z en que se asegura la actina, que constituyen los extremos laterales de un sarcómero. Igual a la forma en que usted se mantendrá centrado entre las estanterías, los filamentos de miosina permanecen centrados durante la contracción muscular normal (Figura 2B).

¿Qué son los puentes que cruzan?

Un refinamiento importante de la teoría del filamento deslizante consistió en la forma particular en que la miosina es capaz de empujar a la actina para acortar el sarcómero. Los científicos han demostrado que el extremo globular de la proteína de miosina más cercana a la actina, llama la región S1, tiene múltiples segmentos articulados, que se pueden doblar y facilitan la contracción (Hynes et al. 1987; Spudich 2001). La flexión de la región de la miosina S1 ayuda a explicar la forma en que se mueve o “pasea” la miosina a lo largo de la actina. La región de “cola” más delgado y por lo general más largo de la miosina (S2) también exhibe flexibilidad, y gira simultáneamente con la contracción de S1 (Figura 3A).

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Figura 3: El “golpe de potencia” del modelo de puente de balanceo, a través del movimiento “ciclista” de la miosina-actina
La actina (rojo) interactúa con la miosina, que se muestra en forma globular (rosa) y en forma de filamento (línea de color negro). El modelo que se muestra es el de HE Huxley, modificado para indicar (flecha curvada) la flexión cerca de la mitad del puente transversal de forma alargada (subfragmento 1, o S1) que proporciona el “golpe de potencia”. Esta flexión impulsa actina a la derecha a unos 10 nanómetros (nm de paso 10). Las áreas S2 amarran la miosina globular al filamento grueso (línea amarilla horizontal), que permanece en el lugar mientras que los filamentos de actina se mueven. Modificado de Spudich (2001).

Los movimientos de la miosina parecen ser una especie de danza molecular. La miosina avanza hacia adelante, se une a la actina, se contrae, libera la actina, y luego avanza de nuevo hacia delante para unirse actina en un nuevo ciclo. Este proceso se conoce como el ciclismo (bicicleta) de miosina-actina. A medida que el segmento S1 de miosina se une y libera la actina, forma lo que se denominan puentes cruzados, que se extienden desde los filamentos gruesos de miosina a los filamentos finos de actina. La contracción de la región de S1 de la miosina se llama power stroke (golpe de potencia) (Figura 3). La carrera de potencia requiere la hidrólisis de ATP , que se rompe un enlace de fosfato de alta energía y libera energía.

En concreto, esta hidrólisis ATP proporciona la energía a la miosina que pasar por este ciclo: liberar la actina, cambiar su conformación, contraerse, y repetir el proceso de nuevo (Figura 4). La miosina se mantendría vinculado a la actina indefinidamente – haciendo la rigidez del rigor mortis – si las nuevas moléculas de ATP no estuvieran disponibles (Lorand 1953).

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Figura 4: Ilustración del ciclo de cambios en la forma de miosina durante los ciclos de puentes cruzados (1, 2, 3 y 4) Hidrólisis de ATP libera la energía necesaria para la miosina para hacer su trabajo. AF: filamentos de actina, miosina MF filamento. Modificado de Goody (2003).

Dos aspectos clave del ciclismo miosina-actina utilizan la energía puesta a disposición por la hidrólisis de ATP. En primer lugar, la acción del alcance de la cabeza S1 de miosina utiliza la energía liberada después de que la molécula de ATP se divide en ADP y fosfato (P). La miosina se une actina en esta conformación extendida. En segundo lugar, la liberación del fosfato faculta a la contracción de la región S1 de miosina (Figura 4).

¿Qué regula el acortamiento del sarcómero?

El calcio y el ATP son cofactores (componentes no proteicos de los enzimas) necesarios para la contracción de las células musculares. El ATP proporciona la energía, tal como se describe más arriba, pero ¿qué hace el calcio? El calcio se requiere para dos proteínas, la troponina y la tropomiosina, que regulan la contracción muscular mediante el bloqueo de la unión de la miosina a la actina filamentosa (Figura 5). 
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En un sarcómero en reposo, la tropomiosina bloquea la unión de la miosina a la actina. En la analogía superior de los estantes de tracción, la tropomiosina se pondrá en el camino de la mano mientras trataba de sostener la cuerda de actina. Para que la miosina se una a la actina, la tropomiosina debe girar alrededor de los filamentos de actina para exponer los sitios de unión a la miosina. En 1994, William Lehman y sus colegas demostraron cómo la tropomiosina gira estudiando la forma de la actina y la miosina, ya sea en soluciones ricas en calcio o soluciones que contengan calcio bajo (Lehman, Craig, y Vibertt 1994). Mediante la comparación de la acción de la troponina y la tropomiosina bajo estas dos condiciones, encontraron que la presencia de calcio es esencial para el mecanismo de contracción. Específicamente, la troponina (la proteína más pequeña) desplaza la posición de la tropomiosina y la mueve lejos de los sitios de unión a miosina en la actina, para desbloquear de forma efectiva el sitio de unión (Figura 4). Una vez que los sitios de unión a la miosina están expuestos, y si hay presente suficiente ATP, la miosina se une a la actina para comenzar el ciclismo a través del puente. Entonces se acorta el sarcómero y el músculo se contrae. En ausencia de calcio, no se produce esta unión, por lo que la presencia de calcio libre es un importante regulador de la contracción muscular.

Preguntas sin resolver

Entendemos completamente la contracción muscular? Los científicos todavía tienen curiosidad acerca de varias proteínas que influyen claramente en la contracción muscular, y estas proteínas son interesantes porque están bien conservadas a través de las especies animales. Por ejemplo, moléculas como la titina, una proteína “elástica” inusualmente larga y que abarca sarcómeros en los vertebrados, parece unirse a la actina, pero no se conocen bien. Además, los científicos han hecho muchas observaciones de las células musculares que se comportan de maneras que no coinciden con el conocimiento actual de las mismas. Por ejemplo, algunos músculos en moluscos y artrópodos generan la fuerza durante largos períodos, un fenómeno poco entendido a veces llamado “captura-tensión” o histéresis de fuerza (Hoyle, 1969). El estudio de estos y otros ejemplos de cambios musculares (plasticidad) son vías interesantes para la exploración por los biólogos. En última instancia, esta investigación puede ayudarnos a comprender mejor y tratar a los sistemas neuromusculares y comprender mejor la diversidad de este mecanismo en nuestro mundo natural.

Resumen

La contracción muscular ofrece a los animales una gran flexibilidad, lo que permite que se muevan de manera exquisita. Los cambios moleculares que dan lugar a la contracción del músculo se han conservado en la evolución en la mayoría de los animales. Mediante el estudio de los sarcómeros, la unidad básica de control de los cambios en la longitud muscular, los científicos propusieron la teoría del filamento deslizante para explicar los mecanismos moleculares que subyacen a la contracción muscular. Dentro del sarcómero, la miosina se desliza a lo largo de la actina para contraer la fibra muscular en un proceso que requiere ATP. Los científicos también han identificado muchas de las moléculas implicadas en la regulación de las contracciones musculares y comportamientos motrices, incluyendo el calcio, la troponina y la tropomiosina. Esta investigación nos ayudó a aprender cómo los músculos pueden cambiar su manera de producir movimientos.

Referencias y lecturas recomendadas


Clark, M. Milestone 3 (1954): modelo de deslizamiento de filamentos para la contracción muscular. Correderas filamentos musculares.Nature Reviews Molecular Biología Celular 9 , S6-S7 (2008) doi: 10.1038/nrm2581.

Goody, RS El eslabón perdido en el ciclo de los puentes cruzados muscular. Nature Structural Molecular Biology 10 , 773-775 (2003) doi: 10.1038/nsb1003-773.

Hoyle, G. Aspectos comparativos de músculo. Revisión Anual de Fisiología 31 , 43-82 (1969) doi: 10.1146/annurev.ph.31.030169.000355.

Huxley, HE & Hanson, J. Cambios en el cruce de las estrías de los músculos durante la contracción y el estiramiento y su interpretación estructural Nature 173 , 973-976 (1954) doi: 10.1038/173973a0.

Huxley, AF & Niedergerke, R. Los cambios estructurales en el músculo durante la contracción: Interferencia de microscopía de las fibras musculares que viven. Naturaleza 173 , 971-973 (1954) doi: 10.1038/173971a0.

Hynes, TR et al. Movimiento de fragmentos de miosina in vitro:. Dominios que intervienen en la producción de fuerza Célula 48 , 953-963 (1987) Doi: 10.1016/0092-8674 (87) 90704-5.

Lehman, W., Craig, R. & Vibertt, P. movimiento de Ca2 + inducida por la tropomiosina en Limulus . filamentos delgados reveladas por la reconstrucción en tres dimensiones Naturaleza 368 , 65-67 (1994) doi: 10.1038/368065a0.

Lorand, L. “adenosina trifosfato transphosphorylase-creatina” como el factor de relajación muscular. Naturaleza 172 , 1181-1183 (1953) doi: 10.1038/1721181a0.

Spudich, JA El balanceo modelo puentes cruzados de miosina. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2 , 387-392 (2001) doi: 10.1038/35073086.

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Canales iónicos y células excitables | Aprende Ciencia


Matthew N. Rasband, Ph.D. ( Colegio Baylor de Medicina, Departamento de Neurociencia ) © 2010 Naturale Education 3(9):41

¿Cómo logra el corazón su ritmo regular durante décadas? ¿Cómo se procesa la luz y el color antes de que lleguen a nuestros ojos? Los canales iónicos controlan o regulan diversas actividades fisiológicas de nuestro cuerpo.

¿Cómo vence el corazón a su ritmo regular durante décadas? ¿Cómo funciona la contración de una celula muscular, lo que nos permite movernos y respirar? ¿Cómo se procesa la luz y el color antes de que llegue a nuestros ojos? En cada caso, las células excitables especializadas (receptoras), realizan estas actividades mediante el cambio de sus propiedades eléctricas. Estos cambios están regulados por la variedad de canales de iones que se encuentran en la membrana plasmática. ¿Qué son los canales iónicos, cuántos tipos de canales iónicos se encuentran en las células, cómo funcionan, y cómo cambian las propiedades eléctricas de las células? Estas preguntas fascinan a los científicos y han sido objeto de numerosas investigaciones. Aunque los fundamentos de cómo una célula se vuelve excitable se entiende desde hace más de medio siglo, los detalles cruciales de cómo trabajan los canales de iones se están descubriendo ahora.

Teoría iónica de propagación del potencial de acción

Desde 1939 a 1952, Alan Hodgkin y Andrew Huxley publicaron una serie de artículos fundamentales en que se describe con éxito cómo el flujo de iones a través de membranas es responsable de la generación del potencial de acción: un potencial de acción es un transitorio y rápido ascenso y descenso del potencial de tensión (voltaje) de la membrana (Hodgkin y Huxley 1952a-f, Hodgkin et al . 1952).

En general, los potenciales de acción se producen en todas las células excitables. La pregunta principal que trataron de abordar era, ¿cómo una señal eléctrica se propaga en una célula de un lugar a otro? Para responder a esta pregunta se utilizó el axón gigante del calamar, ya que ofrece varias ventajas experimentales. Esto les permitió a) manipular directamente las concentraciones iónicas – este tipo de experimento se había realizado anteriormente en corazón aislado por Sidney Ringer – y b) utilizar una nueva técnica experimental, inventado por Kenneth Cole, llamada voltage-clamp (sujeción de voltaje) para medir directamente las corrientes de membrana. A partir de sus experimentos, Hodgkin y Huxley fueron capaces de mostrar que existen diferencias en las concentraciones de iones entre el interior y el exterior de las células, que las propiedades del potencial de acción dependen de estas concentraciones iónicas, y que los cambios transitorios en la permeabilidad de la membrana celular a estos iones cuentan para la propagación del potencial de acción a lo largo del axón gigante del calamar.
La parte central de su teoría fue la construcción de un modelo matemático que proponga la existencia de varias ‘conductancias’ a través de la membrana. Estos conductancias tenían propiedades específicas, incluyendo selectividad de un ion sobre otro, y distinta cinética. Aunque hoy en día reconocemos estas “conductancia” como canales iónicos, en aquel momento fueron interpretadas simplemente como términos matemáticos en una serie de ecuaciones utilizadas para describir los datos experimentales. Por su trabajo, Hodgkin y Huxley fueron galardonados con el premio Nobel de fisiología y medicina en 1963. Hasta el día de hoy su trabajo se erige como uno de los mejores ejemplos de cómo los científicos pueden usar las matemáticas para proporcionar información sobre los sistemas biológicos complejos.

¿Qué es un canal iónico?

El siguiente avance importante que siguió fue el reconocimiento de que los canales de iones se construyen a partir de grandes proteínas que residen en las membranas de las células (Figura 1). Usando métodos desarrollados recientemente para la clonación molecular, y de acuerdo con los estudios biofísicos de Hodgkin y Huxley, los científicos describieron secuencias de aminoácidos para una variedad de canales selectivos de iones, incluyendo los canales selectivos para el Na+, K+, Ca2+ y el ion Cl-.

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Figura 1: Ion función de canales como los poros para permitir el flujo de iones hacia abajo de su gradiente de potencial electroquímico.
Los canales iónicos vienen en muchos tipos diferentes, algunos de los cuales son selectivos para tipos específicos de iones tales como K +, Na + y Ca2 +.© 2002 Nature Publishing Group Marbán, E. canalopatías cardiacas. Nature 415, 213-218 (2002)

Sin embargo, Hodgkin y Huxley nunca hubieran podido predecir la diversidad de canales que la nueva ciencia de la genética molecular en última instancia ha descubierto. Hoy en día, más de 100 genes de canales iónicos se han clonado en los seres humanos. Además, ahora reconocemos que hay una tremenda diversidad entre los canales iónicos de manera que puedan ser abiertos por diferentes estímulos incluyendo voltaje, temperatura, pH, estiramiento, y ligandos (Hillie 2001). Estos canales tienen diversas propiedades biofísicas distintas que dan como resultado canales que se abren y se cierran rápidamente, canales que se abren rápidamente, pero se cierran durante largos períodos de tiempo, canales que se abren lentamente y permanecen abiertos, canales que sólo permiten que los iones fluyan en una dirección, y canales que permanecen abiertos siempre. También es importante hacer hincapié en que los científicos saben ahora que una célula puede expresar muchos tipos diferentes de canales de iones, y que, en conjunto, esta diversidad de los canales iónicos permite a las células ajustar con precisión sus respuestas a diferentes estímulos.

Sin embargo, los canales iónicos no son de libre flotación a través de la membrana celular como un iceberg en un mar de lípidos. En cambio, están casi siempre anclados en ubicaciones específicas dentro de una célula, donde van a realizar una función designada (Lai y Jan 2006). Por ejemplo, las neuronas pueden tener una morfología enormemente compleja, con dendritas largas para recibir la entrada sináptica, y los axones largos para transmitir señales desde el cerebro a los objetivos periféricos. A fin de que los potenciales de acción atraviesen estas distancias muy largas en los mamíferos, los canales de sodio (Na +) dependientes de voltaje deben ser agrupados en intervalos regularmente espaciados a lo largo del axón. Los mecanismos que utilizan las neuronas para regular el tipo y la ubicación de los canales de iones en una célula específica y la contribución del canal de iones en un único compartimento (A) a la fisiología celular, se está empezando a descubrir ahora.

¿Cómo funcionan los canales iónicos?

¿Cómo funciona un canal para permitir el paso a una especie iónica selectivamente que atraviese la membrana y excluir a otra? Por ejemplo, ¿cómo  los canales de potasio (K+) permiten el flujo de iones K+ y excluyen los Na+? Dado que los iones Na+ son mucho menores que los iones K+, por qué no atraviesan éstos la membrana celular a través del canal de K+? En última instancia, las respuestas a estas preguntas requieren un conocimiento profundo de la estructura de los canales iónicos. La expectativa es que mediante el desciframiento de la estructura de un canal podamos descubrir cómo funciona. Desafortunadamente (desde la perspectiva del experimentador), los canales iónicos son polipéptidos grandes con muchos dominios hidrófobos que cruzan la membrana. Esto significa que es experimentalmente muy difícil trabajar con los canales iónicos. Durante muchos años, los fisiólogos dependían de las toxinas y las mutaciones en los canales para sondear (B) sus relaciones de estructura-función. Debido a esto, nuestro conocimiento sobre la estructura de los canales iónicos era siempre indirecta, y limitada a los canales para los que las toxinas y las secuencias de ADN estaban disponibles.

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Figura 2: Los cuatro subunidades del canal se muestran en diferentes colores.
Ellos rodean un poro central, vigilado por el filtro de selectividad formado por los P-bucles de cada una de las subunidades. Este filtro determina la permeabilidad del poro para diferentes iones. Las líneas de puntos muestran la posición aproximada de la membrana celular.© 2006 Nature Publishing Group Zagotta, WN biología de membrana:. Permutaciones de la permeabilidad de la Naturaleza 440, 427-429 (2006)

Sin embargo, en 1998, Rod MacKinnon y sus colegas lograron lo que muchos pensaban que era un experimento imposible: resolver la estructura cristalina de rayos X de un canal de K+ (Doyle et al 1998; Figura 2.). Ellos utilizan un canal de K+ a partir de la bacteria Streptomyces lividans (llamado KcsA), ya que ofrece varias ventajas experimentales para la cristalografía de rayos X (C) (tamaño más pequeño, menos dominios hidrófobos, y que podría ser expresado en bacterias en grandes cantidades). Además, KcsA parecía dejar pasar los iones K+ como los canales de K+ de mamíferos, e incluso podría ser bloqueada por algunas de las mismas toxinas utilizadas para estudiar canales de mamíferos. Hubo muchos descubrimientos importantes que vinieron de este trabajo, pero con respecto a la selectividad iónica, Mackinnon y sus colegas realizaron un descubrimiento importante y fundamental acerca de cómo está dispuesta la estructura del canal de K+ para seleccionar iones K+ sobre los demás, específicamente el ión Na+. El canal hace esto al permitir que oxígenos carbonilo – moléculas de carbono con un doble enlace a oxígeno – en la cadena del polipéptido quitan las moléculas de agua que rodean los iones K+. Estos oxígenos funcionan como una “jaula” para confinar los iones K+ (Figura 3). Sin embargo, esta estructura no puede despojar las moléculas de agua que rodean los iones Na+. Por lo tanto, el radio efectivo del ion Na+,  que incluye las moléculas de agua, es mucho más grande que el del K+, lo que excluye eficazmente el Na+ desde el canal.

Este importante trabajo con el canal KcsA fue seguido por otros, ya que también reveló el mecanismo de la alta tasa de flujo de iones a través del canal. Sin embargo, no reveló el mecanismo de compuerta sensible al voltaje, y esta cuestión sigue siendo controvertida. Por su importante trabajo sobre la estructura de los canales iónicos, Rod Mackinnon compartió el Premio Nobel de Química en 2003. Desde esta primera estructura cristalina de un canal iónico, las estructuras de algunos otros canales también se han resuelto. Cada uno ha puesto de manifiesto diferentes mecanismos que permiten el flujo de iones a través de membranas. Dada la gran diversidad de canales, y su importancia en la función celular normal, la búsqueda de resolver estructuras de más canales de iones sigue siendo una de las áreas más interesantes y activas de la investigación actual.

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Figura 3: Las secuencias de aminoácidos de una serie de canales de iones (centro) muestran una notable similitud en la región del filtro de selectividad. Reflejos rojos muestran los glycines conservados en el
Las secuencias de aminoácidos de una serie de canales de iones (centro) muestran una notable similitud en la región del filtro de selectividad. Reflejos rojos muestran las glicinas conservadas en la secuencia de la firma TVGYG se encuentran en el canal iónico de potasio KcsA. Reflejos amarillos indican los aminoácidos que son químicamente similares. Como la secuencia de filtro se convierte en menos conservadas, los canales pierden su selectividad para K + sobre Na + y hacerse más permeables a Ca2 +. La estructura del canal catiónico no selectivo NaK de Bacillus cereus se ha resuelto y la comparación de los filtros de selectividad de NaK y KcsA (a la izquierda) proporciona pistas estructurales a la permeabilidad de iones de sodio

Canalopatías

Con los avances en la genética molecular descritos anteriormente, ha llegado a ser posible el análisis de cómo los defectos en los genes de canales iónicos se asocian con muchas enfermedades humanas. En efecto, las epilepsias y la disfunción cardiaca son sólo dos ejemplos de muchas enfermedades derivadas de mutaciones en los canales iónicos. Estos se conocen colectivamente como canalopatías. Por ejemplo, las mutaciones en el corazón de canales de Na+ y de K+ pueden conducir a una canalopatía cardíaca llamada Síndrome QT Long  (Ackerman 2004). Las personas con estas mutaciones son particularmente susceptibles a las arritmias cardíacas (Figura 4). Mediante una mayor capacidad de secuenciación genómica completa y realizando la secuenciación genética de los pacientes, los médicos y los científicos trabajan ahora juntos para descubrir cómo las mutaciones de los canales iónicos conducen a la enfermedad. A menudo, en base a mutaciones identificadas en los pacientes, los científicos generan modelos que pueden recapitular los efectos de la mutación en un entorno (D) controlado. Estos modelos incluyen ratones genéticamente modificados, modelos de cultivos celulares e incluso los tejidos y las células recogidas de los propios pacientes.

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Figura 4: Canalopatías
(A) Dos elementos esenciales precipitar un episodio cardíaco en el SQTL. En primer lugar, un canal cardíacos resultados defectos en un “glitch recarga” que a menudo se puede ver en el ECG de superficie por un intervalo QT prolongado. En segundo lugar, a menudo se necesita un gatillo (en este caso, la natación) para hacer que el sistema de recarga estable, pero prolongada a degenerar en la arritmia marca comercial de LQTS, torsades de pointes (TdP). El resultado (si el corazón alguna vez pierde el control), desmayos, secuestro o muerte, depende de si o no para que se restablezca el ritmo, ya sea espontáneamente o por un desfibrilador. (B) Las topologías lineales para los tres canales cardiacos principales que se muestran representan las dos terceras partes de SQTL. El gen responsable de LQT1, KCNQ1 (comúnmente conocido como KVLQT1) codifica la subunidad alfa del canal de potasio I Ks. El gen detrás de LQT2, KCNH2 (comúnmente conocido como HERG) codifica la subunidad alfa del canal de potasio IKr. SCN5A, responsable de LQT3, codifica el canal de sodio INA. Adicionales síndromes hereditarios arritmia se muestran.© 2004 Nature Publishing Group Ackerman, MJ canalopatías cardíacas: está en los genes. Nature Medicine 10,463-464 (2004)

Resumen

Los canales iónicos son responsables del flujo transmembranal de iones que conducen a la generación de potenciales de acción. Hay una impresionante gama de diferentes tipos de canales que pueden ser activados por diferentes estímulos. ALgunos estudios biofísicos han comenzado a revelar los mecanismos fundamentales responsables de la selectividad de un canal para un ion y no otros. Y los médicos y los científicos están aprendiendo mucho sobre el papel de los canales iónicos en la fisiología normal desde el descubrimiento de las mutaciones humanas. Sin embargo, las funciones de muchos canales iónicos siguen siendo desconocidas, y las relaciones estructura-función de éstos aún no están definidas. A pesar de ser estructuras muy pequeñas, los canales iónicos tienen funciones grandes, que controlan el latido de un corazón, la percepción del sonido o de la vista, o el almacenamiento de la memoria. En última instancia, estos procesos biológicos no dependen de un único canal de iones, sino de todos los canales de iones de una célula y el funcionamiento en red del tejido de una manera coordinada. Cómo sucede esto continuará capturando nuestra imaginación y la atención en las próximas décadas.

  • (A) A contiguous group of cells, descended from the same progenitor cell, that form a spatially discrete part of a developing organ or structure and often act as a discrete developmental unit. 
  • (B) Known sequence of DNA or RNA that is complementary to a sequence of interest and will pair with it; used to find specific DNA sequences.
  • (C) A method to determine the three-dimensional organization of biochemicals.
  • (D) Usually, the complex of external physical, chemical, and biotic factors that may affect a population, an organism, or the expression of an organism’s genes; more generally, anything external to the object of interest (eg, a gene, an organism, a population) that may influence its function or activity.

Referencias y lecturas recomendadas


Ackerman, MJ canalopatías cardíacas: está en los genes. Nature Medicine 10 , 463-464 (2004). doi: 10.1038/nm0504-463.

Doyle, DA, Morais Cabral, J. et al . La estructura del canal de potasio:. Base molecular de K + de conducción y la selectividad Ciencia 280,69-77 (1998). doi: 10.1126/science.280.5360.69.

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Hodgkin, AL & Huxley, Corrientes AF transportadas por iones sodio y potasio a través de la membrana del axón gigante de Loligo. Journal of Physiology 116, 449-472 (1952a).

Hodgkin, AL & Huxley, AF Los componentes de la conductancia de la membrana en el axón gigante del calamar Loligo. Journal of Physiology 116, 473-496 (1952b).

Hodgkin, AL & Huxley, AF El doble efecto de potencial de membrana en la conductancia de sodio en el axón gigante de Loligo. Journal of Physiology 116, 497-506 (1952c).

Hodgkin, AL & Huxley, AF Una descripción cuantitativa de la corriente de membrana y su aplicación a la conducción y la excitación en el nervio. Journal of Physiology 117, 500-544 (1952d).

Hodgkin, AL y Huxley, AF propagación de señales eléctricas a lo largo de las fibras nerviosas gigantes Proceedings of the Royal Society B: Biological Science 140, 177-183 (1952e).

Hodgkin, AL & Huxley, Movimiento AF de iones sodio y potasio durante la actividad nerviosa. Simposios Cold Spring Harbor en Biología Cuantitativa 17, 43-52 (1952f).

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Lai, HC & Jan, LY La distribución y la orientación de los canales iónicos dependientes de voltaje neuronal. Nature Reviews Neuroscience 7,548-62 (2006). doi: 10.1038/nrn1938.

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Cómo secuestran los virus la maquinaria endocítica?(I) Nature


Las células absorben partículas sólidas mediante un proceso llamado endocitosis. ¿Cómo utilizan los científicos los virus para aprender acerca de las funciones de endocitosis en las células?

Los virus son los microorganismos más pequeños en la naturaleza. Como tales, son parásitos obligados lo que significa que no pueden vivir o reproducirse sin un anfitrión. En consecuencia, los virus se encuentran allí donde hay organismos vivos, incluidos los humanos. El resfriado común, la varicela, el herpes labial, el SIDA y el SARS son sólo algunos ejemplos de las enfermedades que causan los virus. Después de que un virus se adhiere a su célula huésped, debe encontrar la manera de entrar en la célula. ¿Cómo han pirateado los virus las vías de la célula para causar infecciones, y cómo han aprendido los científicos acerca de la endocitosis mediante el estudio de las vías de entrada virales?

Guerra de la célula contra los virus

Como parte de nuestra guerra contra los virus, los científicos han tratado de entender todo lo que pueda acerca de estos pequeños pero complejos enemigos. Hemos aprendido mucho en las últimas décadas. Por ejemplo, con la ayuda de potentes microscopios, herramientas y métodos genéticos, bioquímicos, los científicos han descubierto que los virus sólo llevan los elementos esenciales necesarios para el reconocimiento de sus células huésped y replican su genoma dentro del huésped. Sin embargo, esta economía tiene un coste. Dada su simplicidad, los virus son completamente dependientes de la maquinaria biosintética de la célula huésped. Por lo tanto, han desarrollado trucos exquisitos para aprovechar las funciones de la célula huésped en su propio beneficio. Por así decirlo, los virus son análogos a un ejército enemigo que no se detendrá hasta que vence el territorio de su célula huésped y utiliza todos los recursos de ésta.

Por ejemplo, las células han evolucionado la maquinaria endocítica, un complejo conjunto de vesículas y proteínas para ingresar moléculas. En respuesta, algunos virus han desarrollado estrategias para secuestrar la maquinaria endocítica de la célula para entrar en el citoplasma o el núcleo de la célula, dependiendo de la estrategia de replicación del virus en particular. La ubicación en la que el ciclo de replicación viral se lleva a cabo es dictado por el tipo de ácido nucleico que constituye el genoma viral (ya sea ADN o ARN). La ironía es que mediante el estudio de los mecanismos de entrada del virus, los científicos han obtenido una mayor comprensión de la maquinaria endocítica de la célula.
A mediados de los años 1950, varios investigadores observaron que las pequeñas moléculas tales como iones, aminoácidos, azúcares y pueden atravesar la membrana plasmática a través de canales o bombas hechas de proteínas integrales de membrana. En contraste, se enteraron de que las grandes moléculas y partículas se internalizan en vesículas derivadas de la invaginación y separación de segmentos de la membrana plasmática en un proceso que llamaron endocitosis. La endocitosis también sirve como un mecanismo para controlar la composición de proteína y lípidos (un tipo de grasa) de la membrana plasmática. Por lo tanto, la endocitosis está implicada en la regulación de diferentes procesos celulares, incluyendo la mitosis , presentación de antígenos, la migración de la célula y muchas cascadas de señalización intracelulares.

Entendiendo la endocitosis

Nuestra comprensión moderna de la endocitosis proviene de dos importantes observaciones realizadas en la década de 1970. La primera fue por Ralph Steinman y sus colegas que utilizan los enfoques cuantitativos bioquímicos y microscopía electrónica para demostrar que las células en cultivo de mamífero fueron capaces de internalizar enormes cantidades de la membrana plasmática. Estos científicos hicieron la importante observación de que la mayor parte de la membrana que se internaliza más tarde fue reciclada de nuevo a la membrana plasmática (Steinman, Brodie y Cohn, 1976).

El segundo descubrimiento clave es debido a por Michael Brown, Joseph Goldstein y sus colegas, que estaban estudiando la regulación del colesterol en el metabolismo. Tenían la intención de encontrar tratamientos para las enfermedades causadas por los altos niveles de colesterol en la sangre. A través del estudio de la absorción de las lipoproteínas de baja densidad (LDL) por fibroblastos de la piel, se observó que la internalización de LDL fue mediada por un receptor específico presente en la superficie de las células. Se acuñó el término “endocitosis mediada por el receptor” para describir la entrada de las LDL en las células (Goldstein y Brown 2009). En otra serie de experimentos, Brown y Goldstein utilizaron la microscopía electrónica para examinar la endocitosis de LDL (y varios otros ligandos). Ellos observaron que las vesículas responsables de la endocitosis de estas moléculas eran vesículas “recubiertas” rodeadas por una capa de Retículo. Brown y Goldstein fueron galardonados con el Premio Nobel por sus destacadas contribuciones al estudio del metabolismo del colesterol, incluyendo el descubrimiento de la endocitosis mediada por receptor.

En 1975, Barbara Pearse identificó la proteína que recubre las vesículas endocíticas. Llamó a la proteína clatrina por su capacidad para formar estructuras entrerejadas com las de Pearse (1976). Mediante la secuenciación de fragmentos de la proteína clatrina (péptidos), Pearse descubrió que la proteína estaba altamente conservada en diferentes tipos de células e incluso en animales de diferentes especies.

Los virus entran en escena

Durante la década de 1970, Ari Helenius comenzó a trabajar con el Semliki Forest virus (SFV), un virus aislado por primera vez de los mosquitos en Uganda que pueden causar enfermedades en los seres humanos y los animales. Helenius y sus colegas descubrieron que SFV se une inicialmente a la superficie de la célula. Después de haberse fijado, la mayoría del virus están envueltos rápidamente por vesículas recubiertas y secuestrados en vacuolas intracelulares y lisosomas. Usando microscopía y estudios bioquímicos, concluyeron que el SFV entraba en las células mediante el uso de la vía de endocitosis mediada por clatrina. El trabajo de Helenius ligaba la historia de los virus de la historia de la endocitosis. ¿Cómo utilizaron estos virus la vía endocítica de las células?

El primer paso para un virus para invadir una célula es cruzar la membrana plasmática de la célula, que es una barrera lipídica. En general, un virus consta de una o más capas de proteína que encierran su genoma viral. En algunos casos, el virus también contiene enzimas, tales como polimerasas y proteasas, que son necesarias para la replicación viral dentro de la célula. Algunos virus también tienen una envoltura lipídica incrustada con las proteínas. Ambos virus, con envoltura y sin envoltura, utilizan las proteínas presentes en sus superficies para unirse y entrar en la célula huésped. La investigación de Helenius mostró que los virus han desarrollado la capacidad de secuestrar y utilizar mecanismos de endocitosis de la célula para invadir sus células huésped de manera eficiente. Las vesículas endocíticas transportan las partículas virales entrantes de la membrana plasmática a la zona perinuclear de la célula huésped, donde las condiciones para la replicación viral son óptimas.

En ese momento, los científicos sabían que las vesículas endosomales maduran durante su viaje en la célula y que el pH del lumen de la vesícula se reduce gradualmente. En sus estudios de SFV, Helenius y sus colegas hicieron un segundo descubrimiento. Se observó que la disminución en el pH de la vesícula indujo cambios conformacionales en las partículas virales de SFV (viriones), lo que les permite escapar de la vesícula y entran en el citoplasma de la célula, donde podrían iniciar su ciclo de replicación. Los investigadores estaban muy emocionados. Si las observaciones son correctas, entonces puede ser que sean capaces de inhibir la entrada de SFV en las células mediante la prevención de la acidificación de los endosomas. En un experimento seminal, usaron compuestos que previenen la acidificación endosomal para ver si podían bloquear la invasión de células de SFV (Helenius et al . 1980). Para su deleite, su hipótesis fue correcta!

No una, varias vías para entrar en las células

Algunos años después del descubrimiento de la endocitosis mediada por receptor, se hizo evidente que no todo fue internalizados por endocitosis dependiente de clatrina. Por ejemplo, cuando los científicos inhibieron la endocitosis mediada por clatrina con un tratamiento que elimina el entrerejado de clatrina de la membrana plasmática, las células podrían todavía internalizar de manera eficiente la toxina ricina (una proteína de semillas de ricino) (Larkin et al. 1983). ¿Cómo podría ser internalizada la ricina sin clatrina? La explicación más obvia es que existía una forma de endocitosis independiente de la clatrina. Los científicos tenían que encontrarla.

Gracias a su trabajo, ahora sabemos que hay dos grandes clases de vías endocíticas en las células de mamíferos, dependiendo de si la absorción implica partículas grandes (fagocitosis) o principalmente solutos y agua (pinocitosis). Estas vías difieren en la carga que internalizan, las señales necesarias para la activación, la maquinaria de la proteína implicada en el proceso endocítico y el destino del material interiorizado (Figura).

Figura : Vías de entrada en las células
Las partículas grandes pueden ser absorbidos por fagocitosis, mientras que la captación de fluido se produce por macropinocitosis. Numerosos cargos pueden endocitosis por mecanismos que son independientes de la proteína de la cubierta de clatrina y la GTPasa fisión, dinamina. Cargas más internalizados se entregan al endosoma temprano a través de vesiculares (clatrina o caveolina-revestido vesículas) o intermedios tubulares conocidos como portadores de clatrina y dynamin-independientes (CLIC) que se derivan de la membrana plasmática. Algunos caminos pueden primero tráfico a compartimentos intermedios, como los fosfatidilinositol-anclado proteínas enriquecidas con principios de endosomal compartimentos caveosome o glicosil (GEEC), en ruta hacia el endosoma temprano.

Referencias y lecturas recomendadas


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El Banco de Datos de Proteínas | Scitable


Por: David S. Goodsell, Ph.D. (Departamento de Biología Molecular, The Scripps Research Institute) ©2010 Nature Education.  Cita:  Goodsell, DS  (2010), el Banco de Datos de Proteínas:. Explorando  la Estructura Biomolecular Nature Education 3(9):39

¿Por qué es útil conocer la estructura atómica de las moléculas?

Aprenda por qué y cómo este tipo de información acerca de la estructura de proteínas es compartida a través de una base de datos a disposición del público.

Los científicos han determinado las estructuras atómicas de miles de los componentes biomoleculares de las células. Estas estructuras permiten comprender la biología celular a nivel atómico. Los secretos de la síntesis de proteínas se han puesto de manifiesto, empezando por la estructura del ADN, hace medio siglo, que revelaba la base atómica de la información genética, hasta las estructuras de trabajo recientes de los ribosomas, atrapados en el momento de traducir esta información en nuevas proteínas. Las enzimas de la glicólisis, ciclo del ácido cítrico, y el transporte de electrones han sido estudiados y se han determinado sus estructuras. Conocemos las estructuras tridimensionales (3D) de diversas proteínas de los sentidos, de la señalización, el transporte, la regulación y la defensa. Estas estructuras dan respuesta a muchas cuestiones biológicas importantes, y también permitirán a los científicos plantear muchas otras nuevas.

La mayoría de las estructuras biomoleculares son determinadas por cristalografía de rayos X

¿Cómo determinan los científicos las estructuras atómicas de las proteínas? La cristalografía de rayos X es un método poderoso para determinar la ubicación de cada átomo en una molécula. La biomolécula objeto de estudio se purifica y cristaliza, y entonces el cristal se somete a un intenso haz de rayos X (a menudo, en estos momentos, proporcionado por un sinchotrón). Los rayos X se difractan en una matriz de puntos característicos. Mediante el análisis de la separación de las manchas, los investigadores pueden determinar cómo las moléculas están dispuestas en el cristal, y mediante el análisis de la intensidad de las manchas, se puede determinar dónde se encuentra cada átomo. El resultado es un conjunto de coordenadas, describiendo la ubicación de cada átomo en la molécula.

Otros métodos también se utilizan para determinar las estructuras

Los científicos usan otra variedad de técnicas para determinar las estructuras tridimensionales de las biomoléculas, en particular para las moléculas que son demasiado flexibles o demasiado grandes para ser analizadas por cristalografía. La espectroscopía de RMN revela todos los átomos que están cerca uno del otro en una biomolécula, así como la conformación local de las porciones de la cadena macromolecular. Los científicos entonces utilizan esta información para deducir la estructura de la biomolécula. Actualmente, la espectroscopía de RMN es eficaz para determinar las estructuras de pequeñas biomoléculas, tales como proteínas u oligonucleótidos pequeños, ya que las mediciones experimentales son difíciles o imposibles de realizar para moléculas más grandes. La microscopía electrónica, por otra parte, es eficaz para estructuras muy grandes, tales como virus grandes o conjuntos de proteínas como el poro de la membrana nuclear. La óptica utilizada para enfocar electrones no es suficientemente precisa para resolver los átomos individuales, pero la microscopía electrónica típica puede dar una buena indicación de la forma general y forma de moléculas subcelulares.

ura 1: Estructuras de la proteasa del VIH y el diseño de drogasEn el anteproyecto de presupuesto, se pueden encontrar cientos de estructuras de la proteasa del VIH con fármacos antirretrovirales. El complejo se muestra aquí es una forma mutante de la proteasa, que se ha vuelto resistente a los medicamentos anti-VIH. El fármaco se muestra en las esferas grandes en el centro, y la proteasa se muestra con un tubo que sigue a la cadena de proteína. Las mutaciones se muestran en magenta y verde. Los científicos están utilizando estructuras como éste para entender la acción de los fármacos existentes y diseñar medicamentos nuevos y más potentes para combatir la farmacorresistencia. Usted puede explorar esta estructura por ir a la AP RCSB y la búsqueda de AP entrada 1sdv (Mahalingam et al. 2004) (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Figura 1: Estructuras de la proteasa del VIH y el diseño de drogas
En el anteproyecto de presupuesto, se pueden encontrar cientos de estructuras de la proteasa del VIH con fármacos antirretrovirales. El complejo se muestra aquí es una forma mutante de la proteasa, que se ha vuelto resistente a los medicamentos anti-VIH. El fármaco se muestra en las esferas grandes en el centro, y la proteasa se muestra con un tubo que sigue a la cadena de proteína. Las mutaciones se muestran en magenta y verde. Los científicos están utilizando estructuras como éste para entender la acción de los fármacos existentes y diseñar medicamentos nuevos y más potentes para combatir la farmacorresistencia. Usted puede explorar esta estructura por ir a la AP RCSB y la búsqueda de AP entrada 1sdv (Mahalingam et al. 2004) (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Las estructuras biomoleculares son de libre acceso

¿Qué es lo que los científicos hacen con toda la información sobre la estructura molecular? La biología estructural es uno de los primeros campos de la biología que hizo que los datos de la investigación primaria estuvieran directamente disponibles para el público en general. Estas estructuras atómicas han estado disponibles en el archivo de Protein Data Bank (PDB) desde 1971 (Bernstein et al . 1977). El APP es el repositorio central de las estructuras biomoleculares, y los investigadores de biología estructural normalmente depositan sus coordenadas poco después de la finalización de sus estudios. Después de este depósito, los datos son revisados, anotados y puestos a libre disposición por un consorcio de centros de datos denominado Worldwide PDB (Berman, Henrick y Nakamura 2003). La investigación comunitaria ha determinado que el acceso público es fundamental para el avance de la ciencia, por lo que la mayoría de las revistas y agencias de financiamiento tienen requisitos estrictos para el depósito de coordenadas (datos). En la actualidad, hay más de 65.000 entradas de las biomoléculas disponibles en el AP, resueltos y depositados por investigadores de todo el mundo.

Las estructuras biomoleculares se utilizan para descubrir nuevos medicamentos

¿Por qué es útil conocer la estructura atómica de las moléculas? Los archivos de datos coordinados que representan proteínas y ácidos nucleicos están disponibles gratuitamente en línea, y se utilizan realmente para muchos proyectos de investigación. Una de las aplicaciones más importantes de la estructura biomolecular de las drogas de diseño. Cuando se conoce la estructura de una proteína, se puede intentar diseñar moléculas pequeñas de fármacos que se unen a él y bloquear su función. La potencia de este enfoque se ha demostrado en la batalla contra el VIH y el SIDA. Muchos de los fármacos anti-VIH que están salvando vidas fueron descubiertos con la ayuda del conocimiento de las estructuras de las proteínas del VIH (Figura 1).

Las estructuras biomoleculares revelan los detalles atómicos de la vida

Las estructuras biomoleculares también han sido fundamentales para la comprensión de los mecanismos básicos que mantienen a las células vivas. Por ejemplo, las estructuras de la oxi y desoxi-hemoglobina revelaron la base atómica del alosterismo que controla la unión con el oxígeno, y las estructuras de la hemoglobina de las células falciformes revelaron la base atómica de una enfermedad que causa esa mutación (Figura 2). Con una estructura atómica, ha sido posible explorar el mecanismo detallado de las enzimas, y comprender cómo se estabilizan los complejos de transición. Las estructuras atómicas han revelado los movimientos complejos de proteínas motoras, incluyendo la flexión de la miosina de los músculos y los motores rotativos enlazados de la ATPsintetasa. Además, las estructuras atómicas han revelado la base de la función del sistema inmune, y han mostrado cómo los anticuerpos reconocen moléculas extrañas, y cómo la MHC señala una infección viral. Cada nueva estructura añade una nueva pieza en el rompecabezas de cómo funciona la vida.

Figura 2: La hemoglobina falciformeUna mutación de la hemoglobina hace que las proteínas a agregarse en cadenas largas. Estas cadenas distorsionar las células rojas de la sangre en una forma de hoz, y causar problemas graves de circulación. Usted puede explorar la estructura de las fibras de hemoglobina en la entrada PDB 2hbs (Harrington, Adachi, y Royer, Jr. 1997). La estructura muestra cómo la mutación de aminoácidos, de color rojo brillante y naranja aquí, se unen a las moléculas de hemoglobina vecinos, la estabilización de la fibra (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Figura 2: La hemoglobina falciforme
Una mutación de la hemoglobina hace que las proteínas a agregarse en cadenas largas. Estas cadenas distorsionar las células rojas de la sangre en una forma de hoz, y causar problemas graves de circulación. Usted puede explorar la estructura de las fibras de hemoglobina en la entrada PDB 2hbs (Harrington, Adachi, y Royer, Jr. 1997). La estructura muestra cómo la mutación de aminoácidos, de color rojo brillante y naranja aquí, se unen a las moléculas de hemoglobina vecinos, la estabilización de la fibra (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Los científicos diseñan nuevas máquinas moleculares basadas ​​en estructuras biomoleculares

Las estructuras biomoleculares también han abierto una nueva disciplina de la ingeniería biomolecular y bionanotecnología. Con la comprensión ha llegado el control, y los investigadores están modificando ahora las biomoléculas existentes para nuevas funciones, o incluso diseñando biomoléculas completamente nuevas. Por ejemplo, los científicos están diseñando y construyendo estructuras a nanoescala con ADN (Figura 3). Uno de los grandes retos de ingeniería biomolecular es la predicción de la estructura de la proteína desde la secuencia de aminoácidos de la cadena. Ya se han dado grandes pasos hacia la solución de este problema difícil, apoyándose fundamentalmente en la enorme base de datos de estructuras de proteínas disponibles, pero la solución integral escapa todavía a la comunidad de investigadores.

Figura 3: Andamios de ADNNadrian Seeman ha trabajado durante años para diseñar andamios construidos a nanoescala de ADN. Recientemente, su equipo de científicos determinaron la estructura atómica de un buen diseño, construida de pequeños bloques de construcción triangulares. Cuando estos bloques de construcción se mezclan juntos en solución, que se auto-ensamblan para formar un enrejado nanoescala. Usted puede explorar esta estructura en AP entrada 3gbi (et al. Zheng 2009) (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Figura 3: Andamios de ADN
Nadrian Seeman ha trabajado durante años para diseñar andamios construidos a nanoescala de ADN. Recientemente, su equipo de científicos determinaron la estructura atómica de un buen diseño, construida de pequeños bloques de construcción triangulares. Cuando estos bloques de construcción se mezclan juntos en solución, que se auto-ensamblan para formar un enrejado nanoescala. Usted puede explorar esta estructura en AP entrada 3gbi (et al. Zheng 2009) (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Usted puede explorar estructuras biomoleculares en la RCSB Protein Data Bank

Los centros de datos wwPDB permiten que cualquiera pueda explorar de primera mano la estructura de las biomoléculas en el archivo PDB. Gran parte de la evidencia científica que apoya los conceptos más importantes de la célula y biología molecular se lleva a cabo en el archivo PDB, y los visitantes pueden ir directamente a las estructuras y explorar la base atómica de la función de una molécula. Sin embargo, dado que la AP es todo un repositorio de datos científicos, no se presenta como un libro de texto, con temas perfectamente ordenados y ejemplos presentados cuidadosamente. En su centro se encuentra el archivo de coordenadas atómicas. Estos archivos incluyen las coordenadas atómicas así como las anotaciones detalladas que describen la biología y los detalles experimentales. Los usuarios tienen dos problemas potenciales: primero, la búsqueda de un archivo de estructura que incluye la biomolécula deseada, y segundo, la visualización y la exploración de la estructura de archivos en una forma que muestra la propiedad de interés. El RCSB (Investigación Collaboratory estructural para Bioinformática) PDB localizado en www.pdb.org ofrece herramientas y recursos para ayudarle a enfrentarse a estos desafíos (Berman et al .2000).

¿Cómo puedo encontrar estructuras en el AP RCSB?

Muchas herramientas están disponibles en el RCSB para buscar una base de datos de entradas PDB. La herramienta principal es una función de búsqueda global que construye las consultas que usan una variedad de propiedades, desde los nombres de las moléculas a las secuencias de aminoácidos. Esto se complementa con otros enfoques para navegar a través de las estructuras, incluyendo la búsqueda de similitud de secuencias, las búsquedas de palabras clave del Genome Ontology project (Ashburner et al. , 2000), así como las descripciones de estructuras de dominio. Puesto que hay decenas de miles de estructuras disponibles, encontrar la estructura en que usted está interesado adentro puede ser difícil. El proyecto de RCSB Series Molécula del mes está diseñado para ayudarle con esto. En él se destaca en detalle una molécula diferente cada mes, y enlaces a las estructuras representativas de la base de datos.

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El misterio de la vitamina C | Scitable


Por: Mario C. De Tullio, Ph.D. (Departamento de Biología Vegetal y Patología de la Universidad de Bari) ©2010 Nature Education 

¿Qué es la vitamina C? ¿Cómo funciona? ¿Por qué los seres humanos no la pueden sintetizar?

También conocida como ácido ascórbico, la vitamina C es una pequeña molécula de carbohidrato identificada por primera vez en 1920 por Albert von Szent Györgyi, que descubrió que era capaz de prevenir y curar el escorbuto. El escorbuto es una patología potencialmente mortal sufrida por personas que no tienen acceso a frutas y vegetales durante largos períodos de tiempo. Una década antes, Kazimierz Funk había preparado una lista de los factores nutricionales, llamados vitaminas, cuyas deficiencias pueden causar enfermedades graves en los seres humanos. En su lista, Funk usa la letra “C” para designar un factor todavía no identificado, pero que se sabe que previene el escorbuto. Más tarde, Szent Györgyi y Haworth identificaron químicamente “C” como el ácido ascórbico, y se llamó así porque ascórbico significa “anti-escorbuto”. Durante el siguiente siglo, lo que hoy conocemos como la vitamina C se convirtió en uno de los medicamentos más populares de la historia humana.

¿Por qué es esta molécula tan conocida? Aparte de que su deficiencia causa escorbuto en humanos, la vitamina C es también de vital importancia para otras especies. Ni los animales ni las plantas pueden vivir sin vitamina C, y es por lo tanto sorprendente que algunos animales (algunos peces y aves y algunos mamíferos, como los cerdos de guinea y los seres humanos) hayan perdido la capacidad para producirla en el transcurso de la evolución. ¿Cómo sucedió esto?

La pérdida de la biosíntesis de vitamina C

En cada etapa de una vía biosintética, un sustrato se convierte en un producto en una reacción catalizada por una enzima. El producto de la primera reacción se convierte en el sustrato de la segunda, y las etapas de la vía metabólica se ejecutan secuencialmente hasta que se produce el producto final (Figura 1). En 1957, el famoso bioquímico Albert Lehninger estudió la biosíntesis de la vitamina C en los animales, y se dio cuenta de que, a diferencia de muchas especies, tales como gatos y perros, que pueden biosintetizar su propia fuente de vitamina C, los seres humanos no son capaces de hacerlo. Las células humanas no pueden realizar el último paso crucial de la biosíntesis de la vitamina C, la conversión de L-gulono-g-lactona en ácido ascórbico, que está catalizada por la enzima gulonolactona oxidasa. Siguiendo el trabajo Lehninger varios años más tarde, Nishikimi y colaboradores observaron que el gen que codifica para la oxidasa gulonolactona está realmente presente en los seres humanos, pero no está activo, debido a la acumulación de varias mutaciones que lo convirtieron en un pseudogen no funcional (Nishikimi y Yagi 1991).

Figura 1: La diversidad de las vías biosintéticas de ascorbato y sus análogosAbreviaturas: Ara / Aral, arabinosa / arabinonolactone; Gal / GALA / Gall, galactosa / ácido galacturónico / galactonolactona, L-GalDH, galactosa deshidrogenasa, L-GalLDH, deshidrogenasa galactonolactona, D-GalUR, ácido galacturónico reductasa; Glc / GlcA / GlcL , glucosa / ácido glucurónico / gluconolactona, gaviota, gulonolactona, L-gulo, oxidasa gulonolactona; PIB, difosfato de guanosina, Hombre, manosa; Megala, metil-D-galacturónico; NDP, nucleósido difosfato, UDP, difosfato de uridina.

Figura 1: La diversidad de las vías biosintéticas de ascorbato y sus análogos
Abreviaturas: Ara / Aral, arabinosa / arabinonolactone; Gal / GALA / Gall, galactosa / ácido galacturónico / galactonolactona, L-GalDH, galactosa deshidrogenasa, L-GalLDH, deshidrogenasa galactonolactona, D-GalUR, ácido galacturónico reductasa; Glc / GlcA / GlcL , glucosa / ácido glucurónico / gluconolactona, gaviota, gulonolactona, L-gulo, oxidasa gulonolactona; PIB, difosfato de guanosina, Hombre, manosa; Megala, metil-D-galacturónico; NDP, nucleósido difosfato, UDP, difosfato de uridina.

Cabe destacar que no sólo todos los seres humanos, sino también los gorilas, chimpancés, orangutanes y algunos monos tienen este defecto genético congénito, lo cual significa que la pérdida de la biosíntesis de la vitamina C debe haber ocurrido por primera vez en uno de nuestros antepasados ​​primates. Pero, ¿cómo es posible que algo tan crucial para la supervivencia se elimine en el curso de la evolución? Por lo general, se espera que los rasgos positivos deban ser retenidos durante la evolución, y la vitamina C es beneficiosa, ¿cómo puede la selección natural haber eliminado esa capacidad biosintética crucial? De hecho, los individuos con la mutación (s) en el gen que codifica la oxidasa gulonolactona deberían haber tenido menos posibilidades de sobrevivir y reproducirse. Sin embargo, ocurrió lo contrario, y sobrevivieron a los que habían perdido la biosíntesis de la vitamina C. ¿Cómo podemos explicar esta aparente paradoja?

Las Funciones de la vitamina C

Para entender mejor cómo y por qué ocurrió la pérdida de vitamina C, tenemos que entender primero los beneficios de la misma. El escorbuto es una enfermedad mortal que se produce en vertebrados que no son capaces de sintetizar la vitamina C cuando su dieta no incluye fruta fresca y verduras, alimentos ricos en esta vitamina. Históricamente, esta enfermedad mató a muchos marineros, que no tienen tales alimentos perecederos disponibles durante sus largos viajes en alta mar. El escorbuto tarda algún tiempo en desarrollarse en un humano con una dieta pobre en vitamina C, y cuando lo hace, puede mostrar una variedad de síntomas. Estos incluyen cansancio, disfunción neurológica, y, más comúnmente, defectos dramáticos en los vasos sanguíneos y la integridad del hueso. Estos últimos síntomas son los más fácilmente reconocibles porque causan manchas en la piel, sangrado de las encías y los dientes sueltos, así como fragilidad en hueso y cartílagos.

A finales de 1950, las nuevas herramientas de la química biológica permitió la identificación de otro papel esencial para la vitamina C, que ayuda a explicar estos síntomas, fundamentalmente incapacitantes. En 1962, a través del análisis de la radioactividad incorporada en colágeno utilizando una versión tritiada del aminoácido prolina, Stone y Meister descubrieron que la vitamina C se utiliza como un co-sustrato de peptidil-prolil hidroxilasa, una enzima que cataliza la modificación selectiva de prolina a hidroxiprolina. Esta modificación es esencial para el plegamiento correcto del colágeno. Por consiguiente, la falta de vitamina C conduce a la formación de colágeno no funcional en vasos sanguíneos y los huesos, lo que conduce a la mayor parte de los síntomas referidos en hueso y vasos sanguíneos. La variedad de los síntomas del escorbuto más allá de los derivados de los defectos del colágeno ocurren porque la vitamina C es también un co-sustrato de múltiples enzimas implicadas en la biosíntesis, incluyendo la síntesis de la dopamina, un neurotransmisor importante, y carnitina, que ayuda a las mitocondrias a mantener el ritmo acorde con la demanda de producción de energía. La falta de estos dos compuestos ayuda a explicar los síntomas neurológicos y de laxitud del escorbuto.

Hoy en día, el escorbuto no està tan extendido como lo que solía ser, aunque siguen dándose casos en personas con hábitos alimenticios poco saludables. Sin embargo, la vitamina C se hizo muy popular en el siglo XX, no por su papel en la prevención del escorbuto, sino por su potente función “antioxidante”. La identificación de compuestos de oxígeno reactivos (ROS), tales como el peróxido de hidrógeno y los iones superóxido, como moléculas potencialmente perjudiciales para las membranas biológicas y otros componentes de las células, ha intensificado el interés en todo aquello que pueda ser anti-ROS, conocidos como antioxidantes. Estos compuestos son capaces de reaccionar con oxidantes peligrosos y mantener las células y tejidos sanos. En efecto, la vitamina C es uno de los mejores antioxidantes fisiológicos no tóxico porque es muy eficiente: reacciona con muchos tipos diferentes de ROS. Hay una idea errónea de que los antioxidantes son siempre beneficiosos, cuando más bien son moléculas complejas que forman parte de sistemas complejos que garantizan la función celular adecuada. Independientemente de ello, a causa del papel integral que la vitamina C juega en el interior de una célula, tanto como antioxidante o como co-sustrato, conservar su biosíntesis debería haber sido una ventaja selectiva. ¿Por qué entonces los seres humanos perdieron esta habilidad?

En el corazón del misterio

Como los humanos, los otros animales que no puedan sintetizar la vitamina C siempre pueden encontrar una fuente de la misma en otros organismos que la sinteticen por sí mismos, a saber, las plantas. Los seres humanos que consumen porciones regulares de fruta fresca (o en comprimidos, aunque son menos eficaces) evitarán las consecuencias de no fabricar su propia vitamina C. La inclusión de la vitamina C en la dieta humana explica por qué nuestros antepasados ​​sin síntesis de Vit. C no se extinguieron, ya que se encontraron con una compensación efectiva de las mutaciones en el gen de la oxidasa gulonolactona. Sin embargo, los bioquímicos especulan que puede haber habido alguna ventaja conjunta de esta mutación que hizo que persista y se propague en el linaje humano. Por ejemplo, dado que uno de los productos de la reacción catalizada por la oxidasa gulonolactona es el peróxido de hidrógeno, Halliwell sugirió en 2001 que la pérdida de la biosíntesis equilibrar el ” coste “de la producción, ya que la ventaja de producir una molécula de vitamina C se pierde por la producción de esa especie de oxígeno reactivo (Halliwell 2001).

Más recientemente, Grano y De Tullio propusieron otra hipótesis, basada en los estudios de Knowles et al. En 2003, Knowles et al. demostraron que la vitamina C regula un factor de transcripción clave inducido por estrés que es clave y se denomina Hypoxia Inducible Factor 1α (HIF1α), una proteína que, cuando se activa, regula la expresión de cientos de genes relacionados con estrés. En particular, la activación de HIF1α se produce en ausencia de un adecuado suministro de oxígeno o de vitamina C. Grano y De Tullio proponen, consecuentemente, que los organismos que han perdido la biosíntesis de vitamina C tienen una ventaja: que pueden regular finamente la activación de HIF1α sobre la base de la ingesta dietética de vitamina C (Grano & De Tullio 2007). Cuando el suministro de la vitamina C es suficiente, el factor de transcripción HIF es menos activo que en condiciones de déficit de vitamina C. En otras palabras, la falta de biosíntesis de vitamina C permite a nuestro cuerpo para saber más sobre nuestro estado nutricional y en consecuencia establecer la línea de base adecuada de expresión de HIF1α. Es como un sistema sensible de valoración.

Existe una tercera posibilidad aún sin explorar. Sabemos por otros estudios que los pseudogenes no son estáticos, sino que pueden tener un papel importante en el control epigenético de la expresión génica (Poliseno et al. 2010). ¿Podría esto también aplicarse al pseudogen humano gulonolactona oxidasa? El tiempo (y sobre todo la investigación) lo dirá.

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Los eucariotas y el Ciclo celular | Scitable


El ciclo de la vida celular, también llamado el ciclo celular, incluye muchos procesos necesarios para el éxito de la autorreplicación. Más allá de la realización de las tareas del metabolismo rutinario, la célula debe duplicar sus componentes – lo más importante, su genoma – para que físicamente pueda dividirse en dos células hijas completas. La célula también debe pasar a través de una serie de puestos de control que garanticen que las condiciones para la división ya son favorables.

¿Qué fases componen el ciclo de la célula eucariota?

En eucariotas, el ciclo celular consiste en cuatro fases discretas: G1, S, G2 y M. La S o fase de síntesis es cuando se produce la replicación del ADN, y la M o la fase de mitosis es cuando la célula se divide. Las otras dos fases, G1 y G2, las denominadas fases gap, son menos espectaculares pero igualmente importantes. Durante la G1, la célula lleva a cabo una serie de comprobaciones antes de entrar en la fase S. Más tarde, durante la G2, la célula de manera similar comprueba su disposición para proceder a la mitosis.

En conjunto, las fases G1, S y G2 constituyen el período conocido como la interfase. Las células suelen pasar mucho más tiempo en la interfase que lo hacen en la mitosis. De las cuatro fases, G1 es más variable en términos de duración, aunque a menudo es la porción más larga del ciclo celular (Figura 1).

Figura 1: El ciclo celular eucariótico

¿Cómo las células monitorean su progreso a través del Ciclo Celular?

Con el fin de pasar de una fase de su ciclo de vida a la siguiente, una célula debe pasar a través de numerosos puntos de control. En cada punto de control, algunas proteínas especializadas determinan si existen las condiciones necesarias. Si es así, la célula es libre de entrar en la siguiente fase. Si no, la progresión a través del ciclo celular se detiene. Los errores en estos puestos de control pueden tener consecuencias catastróficas, incluyendo la muerte celular o el crecimiento ilimitado que es el cáncer.
Cada parte del ciclo celular cuenta con unos puntos de control únicos. Por ejemplo, durante G1, la célula pasa a través de un punto de control crítico que garantiza que las condiciones ambientales (incluyendo señales de otras células) son favorables para la replicación. Si las condiciones no son favorables, la célula puede entrar en un estado de reposo conocido como G0. Algunas células permanecen en G0 por toda la vida del organismo en el cual residen. Por ejemplo, las neuronas y las células de músculo esquelético de mamíferos están típicamente en G0.
Otro punto de control importante tiene lugar más tarde en el ciclo celular, justo antes de que una célula pase de G2 a la mitosis. Aquí, un número de proteínas escrutan el ADN de la célula, asegurándose de que está estructuralmente intacto y que se replica correctamente. La célula puede hacer una pausa en este punto para darse tiempo a la reparación del ADN, si fuera necesario.
Sin embargo, otro punto de control del ciclo celular crítico tiene lugar a mediados de la mitosis. Esta comprobación determina si los cromosomas de la célula se han montado correctamente en el huso, o red de microtúbulos que les separan durante la división celular. Este paso reduce la posibilidad de que las células hijas resultantes tendrán un número de cromosomas desiguales, una condición llamada aneuploidía.

¿Cómo estudian los científicos el ciclo celular?

El ciclo celular y su sistema de puestos de control mostrará una fuerte conservación evolutiva. Como resultado, todos los eucariotas, desde una sola célula de levadura a complejos vertebrados multicelulares, pasan a través de las mismas cuatro fases y los mismos puntos de control clave. Esta universalidad del ciclo celular y sus puestos de control permite a los científicos utilizar organismos modelo relativamente simples para aprender más acerca de la división celular en las células eucariotas de todo tipo, incluidos los humanos. De hecho, dos de los tres científicos que recibieron el Premio Nobel para la investigación del ciclo celular utilizaron la levadura como objeto de sus investigaciones.

Conclusión

El ciclo celular eucariótico incluye cuatro fases necesarias para el crecimiento y la división. Cuando una célula pasa a través de cada fase, también pasa a través de varios puntos de control. Estos puntos de control garantizan que la mitosis se produce sólo cuando las condiciones ambientales son favorables y el genoma celular se ha reproducido con exactitud. En suma, este conjunto de controles de división ayuda a prevenir el desequilibrio cromosómico en las células hijas recién producidas.

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Mitosis | Scitable


La mitosis es el proceso en el que un núcleo de la célula eucariota se divide en dos, seguido por la división de la célula madre en dos células hijas. La palabra “mitosis” significa “hilos”, y se refiere a la apariencia filiforme de cromosomas que tiene la célula cuando se prepara para dividirse.

Los primeros microscopistas fueron los primeros en observar estas estructuras, y también se observó la aparición de una red especializada de los microtúbulos durante la mitosis. Estos túbulos, conocidos colectivamente como el huso, se extienden desde estructuras denominadasn centrosomas - con un centriolo situado en cada uno de los extremos opuestos, o postes, de una célula. A medida que progresa la mitosis, los microtúbulos se unen a los cromosomas, que ya han duplicado su ADN y están alineados en el centro de la célula. Los túbulos de huso entonces se acortan y se mueven hacia los polos de la célula. Mientras se mueven, tiran de una única copia de cada cromosoma con ellos a los polos opuestos de la célula. Este proceso asegura que cada célula hija contiene una copia exacta del ADN de la célula madre.

¿Cuáles son las fases de la mitosis?

La mitosis consta de cinco fases morfológicamente distintas: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase. Cada fase implica pasos característicos en el proceso de alineación de los cromosomas y su separación. Una vez que se ha completado la mitosis, la célula entera se divide en dos por medio de un proceso llamado citocinesis (Figura 1).

Figura 1: Dibujo de cromosomas durante la mitosis por Walther Flemming, circa 1880. Esta ilustración es una de más de un centenar de dibujos de Flemming “sustancia celular, el núcleo y la división celular.” Flemming observado repetidamente las diferentes formas de cromosomas previos y durante la citocinesis, la última división de una célula en dos durante la última etapa de la mitosis.

¿Qué sucede durante la Profase?

La Profase es la primera fase de la mitosis, que ocurre después de la conclusión de la porción G2 de la interfase. Durante la profase, los cromosomas celulares de los padres – que se duplicaron durante la fase S – se condensan y convierten en miles de veces más compactos de lo que eran durante la interfase. Debido a que cada cromosoma duplicado se compone de dos cromátidas hermanas idénticas unidas por un punto llamado el centrómero, estas estructuras aparecen ahora como cuerpos en forma de X cuando se observan bajo un microscopio. Varias proteínas que unen ADN catalizan el proceso de condensación, incluso la cohesina y condensina. La cohesina forma anillos que sujetan las cromátidas hermanas juntas, mientras que la condensina forma anillos que enrollan los cromosomas en formas muy compactas.

El huso mitótico también comienza a desarrollarse durante la profase. Como los dos centrosomas de la célula se mueven hacia polos opuestos, los microtúbulos gradualmente se ensamblan entre ellos, formando la red que posteriormente  separa los cromosomas duplicados.

¿Qué sucede durante la Prometafase?

Cuando se completa la profase, la célula entra en la prometafase, la segunda etapa de la mitosis. Durante prometafase, la fosforilación de las láminas nucleares por parte de M-CDK hace que la membrana nuclear se descomponga en numerosas vesículas pequeñas. Como resultado, los microtúbulos del huso ahora tienen acceso directo al material genético de la célula.

Cada microtúbulo es muy dinámico, creciendo hacia el exterior desde el centrosoma y yendo hacia atrás mientras trata de localizar un cromosoma. Eventualmente, los microtúbulos encuentran sus objetivos y se conectan a cada cromosoma en su cinetócoro, un complejo de proteínas posicionado en el centrómero. El número real de los microtúbulos que se fijan a un cinetocoro varía entre las especies, pero al menos uno de microtúbulos a partir de cada polo se une al cinetocoro de cada cromosoma. Un gran remolcador aparece entonces mientras que los cromosomas se mueven hacia atrás y adelante hacia los dos polos.

¿Qué sucede durante la metafase y anafase?

Mientras termina prometafase y comienza la metafase, los cromosomas se alinean a lo largo del ecuador celular. Cada cromosoma tiene al menos dos microtúbulos que se extienden desde su cinetócoro, con al menos un microtúbulo conectado a cada polo. En este punto, la tensión dentro de la célula se equilibra y los cromosomas ya no se mueven hacia atrás y adelante. Además, el huso se ha completado, y tres grupos de microtúbulos del huso son evidentes: los microtúbulos del cinetocoro adjuntan los cromosomas al polo del huso; los microtúbulos interpolares se extienden desde el polo del huso a través del ecuador, casi al polo opuesto del huso, y los microtúbulos astrales se extienden desde el polo del huso a la membrana celular.

La Metafase conduce a la anafase, durante la cual cada cromátida hermana se separa y se mueve a polos opuestos de la célula. La descomposición enzimática de la cohesina, que unía las cromátidas hermanas durante la profase juntas, hace que ocurra esta separación. Tras la separación, cada cromátida se convierte en un cromosoma independiente. Mientras tanto, los cambios en la longitud de los microtúbulos proporcionan el mecanismo para el movimiento de cromosomas.

Más específicamente, en la primera parte de la anafase, a veces llamada anafase A, los microtúbulos del cinetocoro se acortan y extraen los cromosomas hacia los polos del huso. Luego, en la segunda parte de la anafase, a veces llamado anafase B, los microtúbulos astrales que están anclados en la membrana celular tiran de los polos más separados y la cremallera de microtúbulos interpolares se deslizan unos sobre otros, ejerciendo una tracción adicional sobre los cromosomas (Figura 2).

Figura 2: Tipos de microtúbulos involucrados en la mitosis. Durante la mitosis, varios tipos de microtúbulos están activos. Las proteínas motoras asociadas a los microtúbulos interpolares accionar el conjunto del eje. Tenga en cuenta los otros tipos de microtúbulos que participan en el anclaje del polo del huso y tirando de las cromátidas hermanas.

¿Qué sucede durante la Telofase?

Durante la telofase, los cromosomas llegan a los polos de la célula, el huso mitótico se desmonta, y las vesículas que contienen fragmentos de la membrana nuclear original se ensamblan alrededor de los dos conjuntos de cromosomas. Las Fosfatasas entonces desfosforilan las láminas en cada extremo de la célula. Esta desfosforilación da como resultado la formación de una nueva membrana nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas.

¿Cuándo se dividen las células en realidad?

La citocinesis es el proceso físico que finalmente divide la célula madre en dos células hijas idénticas. Durante la citocinesis, la membrana celular del ecuador de la célula se pellizca formando una hendidura llamada el surco de segmentación. La posición del surco depende de la posición de los microtúbulos astrales y interpolares durante la anafase.

El surco de división se forma por la acción de un anillo contráctil de superposición de filamentos de actina y miosina. Como los filamentos de actina y miosina se mueven unos sobre otros, el anillo contráctil se hace más pequeño, como tirar de un cordón en la parte superior de una bolsa. Cuando el anillo alcanza su punto más pequeño, el surco de división divide completamente a la célula en su centro, lo que da como resultado dos células hijas separadas de igual tamaño.

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Realización de una vacuna contra la gripe sin el virus – Science


Nuevo Enfoque. La nueva vacuna no utiliza las dos Proteínas En La Superficie Del virus de la gripe, De La Que Se Muestra Aqui Como. Puntos azules y rojos, Pero que codifican ARNm UNO de ELLOS. crédito

Una nueva estrategia podría hacer vacunas contra la gripe de forma más barata, más segura y más fácil de producir. Usando ARN mensajero (ARNm) sintético en lugar de proteínas purificadas de virus, científicos alemanes han demostrado que pueden proteger a los ratones, hurones y los cerdos contra la gripe. “Este es un enfoque nuevo muy interesante”, dice Hans-Dieter Klenk, virólogo de la Universidad de Marburg en Alemania, que no participó en el trabajo.

Ahora, la mayor parte de las vacunas contra la gripe constan de la hemaglutinina y la neuraminidasa, las dos proteínas que cubren la superficie del virus. Para producir estas moléculas, las tres cepas predominantes de la influenza son cultivadas en huevos de gallina fertilizados o, cada vez más, en cultivo celular. A continuacion se recolecta el virus y se rompe de modo que las dos proteínas se puedan purificar.

La recuperación idónea de una determinada cepa tanto si crece en huevos como en células es difícil de predecir, sin embargo, y producir la suficiente cantidad de virus para millones de dosis de vacuna lleva muchos meses al año. Este es un problema especialmente difícil cuando una cepa nueva de gripe pandémica emerge, como ocurrió en 2009 con la gripe porcina. La mayor parte de la vacuna contra ese virus llegó a estar disponible mucho después de que la pandemia ya había pasado su apogeo.

Ahora, científicos de la Friedrich-Loeffler-Institute (Instituto Federal Alemán de Investigación para la Salud Animal), y CureVac empresa de biotecnología en Tubinga han desarrollado un nuevo enfoque. Ellos diseñaron un pedazo de ARNm que codifica la hemaglutinina de la cepa H1N1 del influenza. Las células utilizan el mARN para transporte la información contenida en el genoma del núcleo en la periferia de la célula, donde se traduce en una proteína. Mediante la inyección de ARNm sintético en la piel de ratones, los investigadores engatusaron las células de los animales para la producción de la proteína del virus por sí mismos. Esto provocó una respuesta inmune que luego protegió a los animales de la infección con dosis letales de virus de la gripe , informaron los investigadores en línea el 25 de noviembre en la revista Nature Biotechnology .

Una vacuna contra el ARNm puede tener otras ventajas. No hay necesidad de cultivar el virus, todo lo que se necesita es la secuencia de la cepa de la gripe. Eso significa que su distribución podría ser lista dentro de 6 a 8 semanas, escriben los autores, y los costos de producción caerían mucho. La vacuna no tiene por qué mantenerse en refrigeración para su almacenamiento o distribución, según ellos, y acaba con el peligro de un choque anafiláctico en personas que son alérgicas a la ovoalbúmina, una proteína en los huevos de gallina que a menudo está presente en las tomas de cantidades muy bajas.

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Origen de los Virus | Scitable


¿Cómo evolucionan los virus? ¿Son una forma simplificada de algo que existió hace mucho tiempo, o una culminación definitiva de pequeños elementos genéticos unidos?

Por: David R. Wessner, Ph.D. (Departamento de Biología, Universidad de Davidson)  © 2010 Nature Education 

La historia de la evolución de los virus representa un fascinante aunque, aunque turbio, para virólogos y biólogos celulares. Debido a la gran diversidad entre los virus, los biólogos han tenido problemas para clasificar estos entes y establecer cómo se relacionan en el árbol de la vida convencional. Podrían representar elementos genéticos que consiguieron adquirir la habilidad de moverse entre las células. Pueden representar también organismos de vida libre anteriores que se convirtieron en parásitos. Ellos pueden ser los precursores de la vida tal y como la conocemos.

Los fundamentos de los virus

Sabemos que los virus son muy diversos. A diferencia de todas las demás entidades biológicas, algunos virus, como el virus de la polio, tienen ARN en su genoma y otros, como el virus del herpes, tienen genomas de ADN. Además, algunos virus (como el virus de la gripe) tienen un genomas monocatenarios, mientras que otros como la viruela tienen genomas bicatenarios. Sus estructuras y estrategias de replicación son igualmente diversas. Los virus, sin embargo, comparten algunas características en común: en primer lugar, por lo general son bastante pequeños, con un diámetro de menos de 200 nanómetros (nm). En segundo lugar, sólo se pueden replicar dnetro de una célula huésped. En tercer lugar, ningún virus conocido contiene ribosomas, un componente celular necesario para la maquinaria de traducción (elaboración) de proteínas.

Son seres vivos?

Para examinar esta cuestión, es necesario tener una buena comprensión de lo que entendemos por “vida”. Aunque las definiciones específicas pueden variar, los biólogos están de acuerdo en que todos los organismos vivos exhiben varias propiedades clave: pueden crecer, reproducirse, mantener una interna homeostasis, responder a estímulos, y llevar a cabo diversos procesos metabólicos. Además, las poblaciones de organismos vivos evolucionan con el tiempo.

¿Los virus se ajustan a estos criterios? Sí y no. Probablemente nos damos cuenta de que los virus se reproducen de alguna manera. Podemos llegar a ser infectados con un pequeño número de partículas de virus – por inhalación de partículas expulsadas cuando otra persona tose, por ejemplo – y luego enfermar durante varios días después, cuando los virus se replican dentro de nuestros cuerpos. Del mismo modo es probable que se den cuenta de que los virus evolucionan con el tiempo. Tenemos que conseguir una vacuna contra la gripe todos los años debido principalmente a los cambios del virus de la gripe, o por su evolución, de un año a otro (Nelson y Holmes 2007).

Los virus, no obstante, no llevan a cabo procesos metabólicos. Más notablemente, los virus difieren de los organismos vivos en que no pueden generar ATP. Los virus tampoco poseen la maquinaria necesaria para la traducción, como se mencionó anteriormente. Ellos no poseen ribosomas y no pueden formar proteínas de forma independiente a partir de moléculas de ARN mensajero. Debido a estas limitaciones, los virus pueden replicarse únicamente dentro de una célula huésped viva. Por lo tanto, los virus son parásitos intracelulares obligados. De acuerdo con una definición estricta de la vida, son inertes. No todos, sin embargo, necesariamente estarán de acuerdo con esta conclusión. Tal vez los virus representen un tipo diferente de organismos en el árbol de la vida – los organismos codificantes encapsulados (capside-encoding organism) o CEOs (Figura 1; Raoult y Forterre 2008).

Figura 1: Los virus y el árbol de la vida. Aunque la mayoría de los biólogos argumentan que los virus no están vivos, algunos argumentan que los virus deben ser incluidos en el árbol de la vida. Todos los organismos, sostienen, debe dividirse en organismos con codificación ribosómica (OER) y organismos capside-encoding (CEOs). Las bacterias, arqueobactheria y eucariotas son OER, los virus son CEOs. © 2008 Nature Publishing Group Raoult, D. & Forterre, P. Redefinición de los virus: lecciones de Mimivirus. Nature Reviews Microbiología 6, 315-319 (2008) doi: 10.1038/nrmicro1858. Todos los derechos reservados.

¿De dónde provienen los virus?

Hay un gran debate entre los virólogos sobre esta cuestión. Tres hipótesis principales han sido articuladas: 1. La progresiva o de escape, hipótesis que establece que los virus surgieron de elementos genéticos que ganaron la habilidad de moverse entre las celulas; 2. la regresiva, o de reducción, hipótesis que afirma que los virus son restos de organismos celulares, y 3.la hipotesis viruses-first que establece que los virus son anteriores o coevolucionaron junto con sus anfitriones celulares actuales.

La Hipótesis Progresiva

Según esta hipótesis, los virus se originaron a través de un proceso progresivo. Elementos genéticos móviles, trozos de material genético capaces de moverse dentro de un genoma, ganaron la capacidad de salir de una célula y entrar en otra. Para conceptualizar esta transformación, vamos a examinar la replicación de los retrovirus, la familia a la cual pertenecen los virus del VIH.

Los retrovirus poseen un genoma de ARN monocatenario. Cuando el virus entra en una célula huésped, una enzima viral, la transcriptasa inversa, convierte el RNA de cadena sencilla en ADN de doble cadena. Este ADN viral luego migra hacia el núcleo de la célula huésped. Otra enzima viral, la integrasa, inserta el ADN viral de nueva formación en el genoma de la célula huésped. Los genes víricos, entonces, pueden ser transcritos y traducidos. La polimerasa de ARN de la célula huésped puede producir nuevas copias de cadena sencilla del genoma del virus de ARN. La progenie del virus se monta y sale de la célula para comenzar el proceso de nuevo (Figura 2).

Figura 2: La replicación de los retrovirus
Después de un retrovirus entra en una célula huésped, la transcriptasa inversa retroviral convierte el genoma de ARN en ADN de doble cadena. Este ADN viral luego migra hacia el núcleo y se integra en el genoma del huésped. Genes virales son transcritos y traducidos. Nuevas partículas de virus montar, salir de la célula, y pueden infectar otra célula.

Este proceso refleja fielmente el movimiento de un importante, aunque inusual, componente de la mayoría de los genomas eucariotas: los retrotransposones. Estos elementos genéticos móviles alcanzan un sorprendente 42% del genoma humano (Lander et al . 2001) y pueden moverse dentro del genoma a través de un intermediario del ARN. Al igual que los retrovirus, ciertas clases de retrotransposones, los retrotransposones quasi-víricos, codifican una transcriptasa inversa y, a menudo, una integrasa. Con estas enzimas, estos elementos pueden transcribirse en ARN, la transcripción inversa en el ADN, y luego se integran en una nueva ubicación dentro del genoma (Figura 3). Podríamos especular con la idea de que la adquisición de unas pocas proteínas estructurales podrían permitirle al elemento la salida de una célula y la entrada en otra, convirtiéndose así en un agente infeccioso. En efecto, las estructuras genéticas del retrovirus y de los retrotransposones quasi-víricos muestran notables similitudes.

Figura 3: replicación viral-como retrotransposones
ARN polimerasas celulares transcribir retrotransposones, formando una copia de ARN del elemento. Después de la traducción, la transcriptasa inversa convierte el ARN retrotransposón en ADN de doble cadena. Esta copia de ADN del retrotransposón entonces integra, en una nueva ubicación, en el genoma de la célula misma.

La hipótesis regresiva

En contraste con el proceso progresivo que se acaba de describir, los virus pueden haberse originado a través de un proceso regresivo o de reducción. Los microbiólogos están de acuerdo en que ciertas bacterias que son parásitos intracelulares obligados, como algunas especies de Chlamydia yRickettsia, evolucionaron a partir de antepasados ​​de vida libre. De hecho, los estudios genómicos indican que la mitocondria de las células eucariotas y Rickettsia prowazekii pueden compartir un antepasado común de vida libre antepasado (Andersson et al . 1998). Se deduce, entonces, que los virus existentes pueden haber evolucionado a partir de otros organismos más complejos, posiblemente de vida libre, que perdieron la información genética con el tiempo, a medida que adoptaron un enfoque parásito de la replicación.

La hipótesis de virus-first

Tanto las hipótesis progresivas como regresivas asumen que las células existían antes de los virus. ¿Qué pasa si los virus ya existieron primero? Recientemente, varios investigadores propusieron que los virus pueden haber sido las primeras entidades replicantes. Koonin y Martin (2005) postulan que los virus existen en un mundo precellular como unidades auto-replicantes. Con el tiempo estas unidades, en su opinión, se hicieron más organizada y más complejas. Finalmente, las enzimas para la síntesis de membranas y paredes celulares evolucionaron, dando como resultado la formación de las células. Los virus, por tanto, pueden haber existido antes que bacterias, arqueas o eucariotas (Figura 4; Prangishvili et al . 2006).

La mayoría de los biólogos están de acuerdo en que las primeras moléculas replicantes consistían en ARN y no en ADN. También sabemos que algunas moléculas de ARN, ribozimas, exhiben propiedades enzimáticas, ya que pueden catalizar reacciones químicas. Tal vez, simples moléculas de ARN replicantes, existentes antes de la primera célula formada, desarrollaron la capacidad de infectar las células antes que otras. ¿Podrían ser los virus de ARN monocatenarios actuales ser los descendientes de estas moléculas de ARN precelulares?

Otros han argumentado que los precursores de los NCLDVs actuales llevaron a la aparición de las células eucariotas. Villarreal y DeFilippis (2000) y Bell (2001) describen los modelos que explican esta propuesta. Tal vez, como ambos grupos postulan, el núcleo actual de las células eucariotas surge de un evento endosimbiótica como por ejemplo que un virus complejo con ADN envuelto convirtió en un residente permanente de una ya emergente célula eucariota.

No sólo una hipótesis puede ser correcta

De dónde proceden los virus no es una pregunta fácil de responder. Se puede argumentar de manera convincente que ciertos virus, como los retrovirus, surgen a través de un proceso progresivo. Algunos elementos genéticos móviles adquirieron la habilidad de viajar entre las células, convirtiéndose en agentes infecciosos. También se puede argumentar que los virus grandes de ADN surgen a través de un proceso regresivo por el cual entidades que fueron alguna vez independientes perdieron genes clave con el tiempo y adoptaron una estrategia de replicación parasitaria. Por último, la idea de que los virus dieron lugar a la vida tal y como la conocemos presenta posibilidades muy interesantes. Tal vez los virus de hoy en día surgieron varias veces, a través de múltiples mecanismos, o tal vez todos los virus surgieron a través de un mecanismo aún por descubrir. Hoy en día la investigación básica en campos como la microbiología, genética y biología estructural nos puede proporcionar respuestas a esta pregunta básica.

Figura 4: Los virus como precursores de la vida celular
En lugar de ser derivado de las células existentes o elementos genéticos móviles, los virus pueden haber existido antes de la vida celular. Autorreplicantes unidades en el virosphere antiguo pudo haber adquirido la capacidad para formar las membranas y paredes celulares, lo que lleva a la evolución de los tres dominios de la vida. Los virus y luego siguió evolucionando con los anfitriones en evolución.

Referencias y Lecturas Recomendadas


Andersson, SGE et al . La secuencia del genoma de Rickettsia prowazekii y el origen de las mitocondrias. Naturaleza 396 , 133-143 (1998) doi: 10.1038/24094.

Bell, eucariogénesis PJL Viral: ¿Fue el antecesor del núcleo de un virus de ADN complejo? Journal of Molecular Evolution 53 , 251-256 (2001) doi: 10.1007/s002390010215.

Koonin, EV & Martin, W. Sobre el origen de los genomas y las células dentro de los compartimentos inorgánicos. Trends in Genetics 21 , 647-654 (2005).

Lander, ES et al . Secuencia inicial y el análisis del genoma humano. Naturaleza 409 , 860-921 (2001) doi: 10.1038/35057062.

La Scola, B. et al . Un virus gigante en amebas. Ciencia 299 , 2033 (2003) doi: 10.1126/science.1081867.

Nelson, MI & Holmes, EC La evolución de la gripe epidémica. Nature Reviews Genetics 8 , 196-205 (2007) doi :10-1038 / nrg2053.

Prangishvili, D., Forterre, P. & Garrett, virus RA de la Archaea:. Una visión unificadora Nature Reviews Microbiology 4 , 837-848 (2006) doi: 10.1038/nrmicro1527.

Raoult, D. & Forterre, P. Redefinición de los virus: Lecciones de mimivirus. Nature Reviews Microbiología 6 , 315-319 (2008) doi: 10.1038/nrmicro1858.

Raoult, D. et al . El 1,2-megabase secuencia del genoma de Mimivirus. Ciencia 306 , 1344-1350 (2004) doi: 10.1126/science.1101485.

Villarreal, LP & DeFilippis, VR Una hipótesis para los virus de ADN como el origen de replicación proteínas eucarióticas. Journal of Virology74 , 7079-7.084 (2000).

Xiao, C. et al . Cryo-microscopía electrónica del gigante Mimivirus. Journal of Molecular Biology 353 , 493-496 (2005) doi: 10.1016/j.jmb.2005.08.060.

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La transcripción de RNA polimerasa para procaryota y eucaryota | Scitable


La expresión génica está vinculada a la transcripción del ARN, que no puede ocurrir sin la ARN polimerasa. Sin embargo, aquí es donde las similitudes de expresión entre procariotas y eucariotas finalizan.

Cada célula nucleada diploide del cuerpo contiene el mismo ADN o genoma, sin embargo, las células parecen comprometidas en diferentes tareas especializadas, por ejemlo, las células de riñón absorben sodio, mientras que las células del páncreas producen insulina. ¿Cómo es esto posible? La respuesta está en uso diferencial del genoma, en otras palabras, las diferentes células dentro del cuerpo expresan diferentes porciones de su ADN. Este proceso, que se inicia con la transcripción de ADN en ARN, en última instancia conduce a cambios en función de la célula. Los cambios en la transcripción son, por tanto, un medio fundamental por el que se regula la función de las células a través de las especies. De hecho, incluso los organismos unicelulares, como las bacterias, regulan la transcripción génica en función de las señales en su entorno. Por lo tanto, la comprensión de cómo la transcripción está regulada es fundamental para descifrar los misterios del genoma.

Para el proceso de la transcripción es fundamental conocer el complejo de proteínas conocidas como las ARN polimerasas. ARN polimerasas se han encontrado en todas las especies, pero el número y la composición de estas proteínas varía según los taxones. Por ejemplo, las bacterias contienen un único tipo de ARN polimerasa, mientras que los eucariotas (organismos multicelulares y levaduras) contienen tres tipos distintos. A pesar de estas diferencias, existen sorprendentes similitudes entre los mecanismos transcripcionales. Por ejemplo, todas las especies requieren un mecanismo por el que la transcripción se puede regular a fin de lograr cambios espaciales y temporales en la expresión génica. Para entender completamente lo que esto significa, en primer lugar es necesario examinar los mecanismos de la transcripción del ARN con más detalle.

Transcripción: Una visión general

En todas las especies, la transcripción se inicia con la unión del complejo de la ARN polimerasa (o holoenzima ) a una secuencia de ADN especial al principio del gen conocido como promotor. La activación del complejo de la polimerasa de ARN permite el inicio de la transcripción, y esto es seguido por la elongación del fragmento transcrito. A su vez, el alargamiento de transcripción conduce a la liberación del promotor, y el proceso de transcripción puede comenzar de nuevo. La transcripción por lo tanto se puede regular en dos niveles: a nivel de promotor (cis regulación) y a nivel de la polimerasa (regulación trans). Estos elementos difieren en bacterias y eucariotas.

La transcripción en bacterias

En las bacterias, toda transcripción se lleva a cabo por un único tipo de ARN polimerasa. Esta polimerasa contiene cuatro subunidades catalíticas y una única subunidad reguladora conocida como sigma (s). Curiosamente, han sido identificados varios factores sigma distintos y cada uno de estos supervisa la transcripción de un conjunto único de genes. Los factores sigma son, por tanto, discriminatorios, ya que cada uno se une a un conjunto distinto de secuencias de promotor.

Un notable ejemplo de la especialización de los factores sigma para promotores génicos diferentes lo proporciona la esporulación bacteriana de las especies de Bacillus subtilis. Esta bacteria existe en dos estados: vegetativo (creciendo) y en esporulación. Los genes implicados en la formación de esporas no se expresan normalmente durante el crecimiento vegetativo. Sorprendentemente, la expresión de un gen que codifica un factor sigma novel activa primero los genes de la esporulación. La posterior expresión de diferentes factores sigma entonces activs un nuevo conjunto de genes necesarios para el proceso de esporulación ulterior (Stragier y Losick, 1992). Cada uno de estos factores sigma reconoce los promotores de los genes en su grupo, no los que han sido vistos por otros factores sigma. Este sencillo ejemplo ilustra cómo la transcripción puede ser regulada en forma cis y trans para provocar cambios en la función celular. Por lo tanto, mientras que las bacterias lograr la transcripción de todos los genes utilizando un único tipo de ARN polimerasa, el uso de diferentes subunidades del factor sigma proporciona un nivel adicional de control.

La transcripción en eucariotas

Las células Eucariotas son más complejas que las bacterias de muchas maneras, incluso en términos de la transcripción. Específicamente, en los eucariotas, la transcripción se logra por tres tipos diferentes de ARN polimerasa (ARN pol I-III). Estas polimerasas se diferencian en el número y tipo de subunidades que contienen, así como la clase de RNAs que transcriben, es decir, ARN pol I transcribe ARN ribosómicos (ARNr), ARN pol II transcribe ARN que se convertirán en los ARN mensajeros (ARNm) y también pequeños RNAs reguladores, y ARN pol III transcribe ARN pequeños, tales como los ARN de transferencia (ARNt).

Estructuras como árbol de Navidad pueden ser visualizadas durante la transcripción activa. Las cepas de levadura que expresan condicionalmente la snoRNA U3 o Utp7 a partir de un promotor galactosa fueron utilizadas para hacer los diferenciales de la cromatina.

Ya que la RNA pol II transcribe genes codificadores de proteínas, ha sido de especial importancia para los científicos que estudian la regulación de la expresión génica en eucariotas, y su función se ha llegado a conocer bien. Por ejemplo, los investigadores saben que el ARN pol II puede unirse a una secuencia de ADN en el promotor de muchos genes, conocidos como la caja TATA, para iniciar la transcripción. Junto con otras causas comunes (secuencias cortas de reconocimiento en el ADN), estos elementos constituyen el núcleo promotor. Sin embargo, los cambios en la afinidad de ARN pol II y, por lo tanto, en la expresión génica, puede ser influenciados por  secuencias de ADN circundantes (enhancers), que a su vez reclutan factores de transcripción. Si bien estas propiedades de regulación de la transcripción son muy importantes, siguen siendo un área de investigación activa.

Curiosamente, la ARN pol II es únicamente sensible a amatoxinas tales como un alfa-amanitina del extremadamente tóxico género de hongos Amanita (Weiland, 1968), un hecho que los investigadores han sido capaces de explotar a los efectos de los estudios de la polimerasa, aunque los cazadores amateurs de setas deberían tener cuidado! Así, mientras que la transcripción eucariota es mucho más compleja que la transcripción bacteriana, la principal diferencia entre los dos tipos de transcripción se encuentra en la RNA polimerasa.

La transcripción de RNA polimerasa RNA por: Prokaryotes vs Eucariotas | aprender ciencias en Scitable.

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ScienceShot: Protein Makes Sperm Flee – ScienceNOW


Vamos a empezar a ver algunos recortes de prensa en inglés, para que practiquéis. A veces las revistas como Science tienen una serie de noticias breves (news) a las cuales os podéis subscribir gratuitamente, y estar al día de los últimos acontecimientos científicos. No todo os interesará pero de todas alguna seguro que os gustará. Es una buena manera de comenzar a practicar con revistas científicas generalistas. Vamos a intentarlo, y lo comentamos en clase!

A compound that causes immature sperm cells to flee the testes early may provide new leads for contraceptives. Scientists pursuing a “male pill” have recently found multiple ways to disrupt sperm production, usually by shutting down genes and proteins unique to the testes. Now, a team led by C. Yan Cheng of the Population Council’s Center for Biomedical Research in New York City has identified a new way to stop spermatogenesis: disrupting the blood-testis barrier, a cellular firewall between the testes and blood circulation. When Cheng’s team injected a special protein fragment into rat testes, the blood-testis barrier broke down. This caused immature sperm to drift out of the testes early, before they were capable of fertilizing eggs. More importantly, these changes were reversible. The team reported their findings online today in Nature Communications. Any potential male contraceptive would be many years off and would require many more tests. Cheng’s team, for instance, has not tested whether rats injected with this protein fragment father fewer offspring. But Cheng says the advantage of this protein over other potential contraceptives is that the body produces it naturally in small amounts, so it’s likely to be well tolerated. 

Protein Makes Sperm Flee – ScienceNOW

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La mielina | Scitable


La vaina de mielina: forma, tamaño y composición

Figura 1: Estructura de la fibra nerviosa mielínica
(A) Imagen de fibras nerviosas mielinizadas y conducción relativa al salto del potencial de acción. Se muestra un ejemplo de PNS mielinizadas fibras nerviosas. (B) Imagen de la sección transversal del axón mielinizadas en el entrenodo. (C) La luz de microscopía de un nervio ciático de ratón con un menor aumento. Tinción con azul de toluidina. La mielina se tiñe de azul. El tracto del nervio está lleno de estructuras en forma de anillo, lo que indica una sección transversal de las fibras nerviosas mielinizadas. (D) Microscopía electrónica de un axón mielinizado en un nervio de ratón a un aumento mayor. El axón está rodeado por una estructura multilaminar de mielina. (E) fibra nerviosa mielinizada reproducido in vitro por cocultivo de neuronas ganglionares de la raíz dorsal (rata) y células de Schwann. Segmentos de mielina están teñidas de rojo por un anticuerpo a la proteína básica de mielina, una molécula expresada específicamente en la mielina. Los nodos de Ranvier (flechas) se tiñen de verde por un anticuerpo uniendose a molécula nodal beta-IV espectrina.

¿Qué es exactamente la mielina? La mielina es una estructura membranosa laminada que rodea concéntricamente los axones mediante lamelas (o protuberancias celulares) que se repiten radialmente con períodos de aproximadamente 12 nanometros (Waxman, Kocsis y Stys 1995; Sherman y Brophy 2005). La lámina de mielina está formada por la fusión de las láminas internas de la membrana plasmática yuxtapuestas en células gliales, sin intervenir el citoplasma (Figura 1B).

Dependiendo de la localización, los diferentes tipos de células gliales producen mielina de una manera distinta. Las células de Schwann producen mielina en el sistema nervioso periférico (SNP: los nervios) y los oligodendrocitos en el sistema nervioso central (SNC: cerebro y médula espinal). En el SNP, una célula de Schwann forma una sola vaina de mielina (Figura 1A). Por el contrario, en el SNC, los oligodendrocitos generan procesos celulares que mandan mielinizar múltiples segmentos en muchos axones (Figura 2). Aunque hay varias diferencias moleculares y morfológicas entre las fibras nerviosas en el PNS y el CNS, la disposición básica de la vaina de mielina y las características electrofisiológicas son esencialmente las mismas.

¿Están todos los axones cubiertos de mielina? No, ya que pueden ser tanto mielinicos como amielínicos. Los axones mielinizados están envainado a lo largo de toda su longitud. El calibre del axón (diámetro) del SNP de mamíferos va desde  0,1 a 20 micras, con axones no mielinizadas inferiores a 2 micras y axones mielinizados mayores de 1-2 micras de diámetro. En el SNC, casi todos los axones con diámetros mayores de 0,2 micras están mielinizados. En sección transversal, el axón mielinizado aparece como un perfil casi circular rodeado por una vaina enrollada en espiral multilaminada (Figura 1C y D). Sorprendentemente, un axón mielinizado grande puede tener hasta 250 a 300 vueltas de envoltura de mielina alrededor de ella. La relación entre el diámetro del axón y la de la fibra nerviosa total (axón y mielina) es 0.6-0.7, una proporción que se mantiene independientemente del calibre del axón. La longitud de la vaina de mielina a lo largo del axón es de aproximadamente 1 mm en el SNP. Entre dos segmentos adyacentes de mielina, hay lagunas (vacíos) aproximadamente de 1 micra llamados nodos de Ranvier (Figura 1A y E). En los nodos, el axón se expone al espacio extracelular.

Figura 2: El destino de los axones de mielina
Se ilustra el caso en el SNC. Después de desmielinización, un axón desmielinizado tiene dos posibles destinos. La respuesta normal a la desmielinización, al menos en la mayoría de los modelos experimentales, es la remielinización espontánea que implique la generación de nuevos oligodendrocitos. En algunas circunstancias, la remielinización falla, dejando los axones e incluso toda la neurona vulnerables a la degeneración.

La señalización axonal regula la mielinización

¿Cómo se genera de forma tan exacta la envoltura en espiral de la vaina de mielina alrededor de los axones? Un mecanismo ha sido identificado en la mielinización del SNP. En el SNP, la proteína neuregulina 1 tipo III se expresa en la superficie del axón e interactúa con los receptores ErbB gliales, y tiene un papel fundamental en la diferenciación de las células de Schwann y su mielinización (para una revisión, ver Nave & Salzer 2006). Las neuronas no mielinizadas del sistema autónomo expresan niveles bajos de neuregulina 1 tipo III sobre la superficie del axón, mientras que los axones fuertemente mielinizados expresan altos niveles.

Sin neuregulina 1 tipo III, las células de Schwann en cultivo derivadas de ratones mutantes en ésta no pueden mielinizar neuronas en la médula espinal (neuronas ganglionares de la raíz dorsal). Expresión Curiosamente, en fibras no mielinizadas normalmente, forzada de neuregulina III 1 tipo en las fibras postganglionares de las neuronas simpáticas cultivadas en un cultivo puede ser obligado a mielinizar.Así, el nivel de neuregulina III 1 Tipo de axones en el SNP es una señal clave instructivo para la mielinización. Además, por encima del umbral, la formación de la mielina se correlaciona con la cantidad de neuregulina III 1 tipo presentado por el axón de la célula de Schwann. La reducción de expresión de neuregulina III 1 tipo conduce a una más delgada que la vaina de mielina normal en losheterocigotos ratones mutantes de esta molécula . En contraste, los ratones transgénicos que sobreexpresan neuregulina 1 se convierten en hypermyelinated.

Una pregunta interesante es ¿la neuregulina-ErbB de señalización regula la mielinización del SNC también? Aunque varios trabajos muestran que los oligodendrocitos responden a la neuregulina 1 in vitro, el análisis de una serie de condicionales animales nulos mutantes que carecen de neuregulina 1 mostró mielinización normal (Brinkmann et al. 2008). Todavía no está claro cómo se regula la mielinización en el SNC.

La mielina facilita la transmisión de impulsos rápidos a lo largo de los axones

¿Cómo mejorar la velocidad de mielina de acción potencial de propagación? Se aísla el axón y el montaje de la estructura molecular especializado en los nodos de Ranvier. En axones mielinizados, el potencial de acción se desplaza continuamente a lo largo de los axones. Por ejemplo, en las fibras C sin mielina que conducen el dolor o la temperatura (0,4-1,2 micras de diámetro), la velocidad de conducción a lo largo del axón es 0.5-2.0 m / s (más rápido que caminar o trotar).

Por el contrario, entre las fibras nerviosas mielinizadas, los axones son en su mayoría cubierto por vainas de mielina, y las corrientes transmembrana sólo puede ocurrir en los nodos de Ranvier donde se expone la membrana axonal. La mielina es rica en lípidos (aproximadamente 80%) y por lo tanto puede actuar como un aislante (es decir, alta resistencia transversal y una capacitancia eléctrica de baja) a lo largo de los segmentos internodales. Por ejemplo, la velocidad de conducción en los axones mielinizados más a fondo (12-20 micras de diámetro) es 70-120 m / s ( carrera de velocidad del vehículo), aunque otros factores, tales como calibre axón puede influir en esta velocidad.

En los nodos, voltaje canales de sodio son altamente acumulado y son responsables de la generación de potenciales de acción. Para inducir y mantener nodales grupos de canales de sodio, moléculas específicas también son enriquecidos en axones nodales, incluyendo moléculas de adhesión celular tales como Neurofascin 186 y las proteínas del citoesqueleto y de soporte, como por BIV espectrina (Poliak y Peles 2003; Susuki y Rasband 2008). La mielina ayuda a armar esta organización nodal molecular. Por ejemplo, durante el desarrollo de PNS fibras nerviosas mielinizadas, una molécula llamada gliomedin es secretada por células de Schwann mielinizantes luego incorporado en la extracelular matriz circundante nodos, en la que promueve ensamblaje de moléculas nodales axonales. Debido a la presencia de la vaina de mielina aislante en entrenudos y voltaje canales de sodio en los nodos, el potencial de acción en fibras nerviosas mielinizadas saltos de un nodo a otro. Este modo de viajar por el potencial de acción se denomina “conducción saltatoria” y permite la propagación del impulso rápido (Figura 1A).

References and Recommended Reading


Brinkmann, B. G. et al. Neuregulin-1/ErbB signaling serves distinct functions in myelination of the peripheral and central nervous system.Neuron 59, 581–595 (2008).

Franklin, R. J. & ffrench-Constant, C. Remyelination in the CNS: From biology to therapy. Nature Reviews Neuroscience 9, 839–855 (2008).

Nave, K. A. & Salzer, J. L. Axonal regulation of myelination by neuregulin 1. Current Opinion in Neurobiology 16, 492–500 (2006).

Poliak, S. & Peles, E. The local differentiation of myelinated axons at nodes of Ranvier. Nature Reviews Neuroscience 4, 968–980 (2003).

Sherman, D. L. & Brophy, P. J. Mechanisms of axon ensheathment and myelin growth. Nature Reviews Neuroscience 6, 683–690 (2005).

Siffrin, V. et al. Multiple sclerosis — candidate mechanisms underlying CNS atrophy. Trends in Neurosciences 33, 202–210 (2010).

Susuki, K. & Rasband, M. N. Molecular mechanisms of node of Ranvier formation. Current Opinion in Cell Biology 20, 616–623 (2008).

Waxman, S. G., Kocsis, J. D. & Stys, P. K., eds. The Axon: Structure, Function and Pathophysiology. New York: Oxford University Press, 1995.

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Los microtúbulos, filamentos | Scitable Nature.com


El citoesqueleto es una estructura que ayuda a las células mantener su forma y organización interna, y también proporciona soporte mecánico que permite a las células llevar a cabo funciones esenciales como la división y movimiento. No hay un solo componente citoesquelético. Más bien, diferentes componentes trabajan juntos para formar el citoesqueleto.

¿De qué está hecho el citoesqueleto?

El citoesqueleto de las células eucariotas está compuesto de proteínas filamentosas, y proporciona soporte mecánico a la célula y sus componentes citoplasmáticos. Todos los citoesqueletos consisten en tres clases principales de elementos que difieren en tamaño y en composición de proteínas. Los microtúbulos son el principal tipo de filamento, con un diámetro de aproximadamente 25 nanómetros (nm), y que se componen de una proteína llamada tubulina . Los filamentos de actina son el tipo más pequeño, con un diámetro de sólo aproximadamente 6 nm, y están hechos de una proteína llamada actina. Los filamentos intermedios, como su nombre indica, son de tamaño medio, con un diámetro de aproximadamente 10 nm. A diferencia de los filamentos de actina y los microtúbulos, los filamentos intermedios se construyen a partir de un número diferente de subunidades de proteína.

¿Qué hacen los microtúbulos?

La Tubulina contiene dos subunidades polipeptídicas, y dímeros de estas subunidades se encadenan juntos para hacer largas cadenas llamadas protofilamentos. Trece protofilamentos luego se unen para formar filamentos de microtúbulos en forma de paja hueca. Los microtúbulos son siempre cambiantes, con reacciones que añaden y restan constantemente dímeros de tubulina en ambos extremos del filamento (Figura 1). Las tasas de cambio en cualquiera de los extremos no son equilibradas -un extremo crece más rápidamente y se denomina el extremo más, mientras que el otro extremo se conoce como el extremo menos. En las células, los extremos de los microtúbulos menos están anclados a estructuras llamadas centros de organización de microtúbulos (COMT). El MTOC primario en una célula se llama centrosoma, y por lo general se encuentra adyacente al núcleo.

Figura 1: Los microtúbulos: Los fundamentos
Los microtúbulos son los principales componentes del citoesqueleto. Se encuentran en todas las células eucariotas, y que están involucrados en la mitosis, la motilidad celular, el transporte intracelular y el mantenimiento de la forma celular. Los microtúbulos están compuestos de alfa-y beta tubulina-subunidades ensambladas en protofilamentos lineales. Un microtúbulos solo contiene 10 a 15 protofilamentos (13 en células de mamífero) que enrollan entre sí para formar un cilindro hueco 24 nm de ancho. Los microtúbulos son estructuras que pueden crecer rápidamente (a través de la polimerización) o reducir (a través de la despolimerización) de tamaño, dependiendo del número de moléculas de tubulina que contienen.

Los microtúbulos tienden a crecer hacia fuera desde el centrosoma a la membrana plasmática. En las células que no se dividen, los microtúbulos irradian hacia fuera de las redes del centrosoma para proporcionar la organización básica del citoplasma, incluyendo el posicionamiento de los orgánulos.

¿Qué hacen los filamentos de actina?

La proteína actina es abundante en todas las células eucariotas. Fue descubierta por primera vez en el músculo esquelético, donde a lo largo de los filamentos de actina se deslizan filamentos de otra proteína llamada miosina para hacer la contracción celular. (En las células no musculares, los filamentos de actina son menos organizados y la miosina es mucho menos prominente.) Los filamentos de actina se componen de proteínas de actina idénticas dispuestos en una cadena larga espiral. Como los microtúbulos, los filamentos de actina tienen extremos positivos y negativos, con más crecimiento ATP-activado en el extremo del filamento + (Figura 2).

Figura 2: Las neuronas tienen complejas estructuras del citoesqueleto.
(A, B) Las neuronas son células eucariotas que se extienden largos procesos para formar conexiones en el sistema nervioso. Al igual que otras células eucariotas, las neuronas tienen un citoesqueleto que consta de tres polímeros principales: microtúbulos (verde), filamentos intermedios (púrpura) y los filamentos de actina (rojo). Los microtúbulos emanan del axón, y filamento de actina forman redes en forma de hoja estructuras y salientes filopodial en el borde de ataque. Barra de escala, a 20 m. (C) El axón neuronal es un largo membrana extensión limitada, en la que los neurofilamentos (una clase de filamento intermedio en las neuronas) forman una matriz estructural que incorpora microtúbulos, que los materiales de transporte desde el cuerpo celular a los terminales de los axones en la sinapsis. (D) El cono de crecimiento contiene dendríticas redes de filamentos de actina y paralelo de filamentos de actina filopodios. (E) Los microtúbulos consisten de 13 protofilamentos de dímeros de tubulina dispuestos en un tubo hueco. (F) neurofilamentos tienen brazos flexibles de polímero que repelen neurofilamentos vecinos y determinar el radio del axón. (G) Los filamentos de actina se organizan en redes. Estas redes pueden tener muchas arquitecturas, incluyendo las estructuras ramificadas representadas aquí, que están formados por el complejo Arp2 / 3 (azul). Los diámetros de los microtúbulos, filamentos intermedios, y los filamentos de actina están dentro de un factor de tres de cada otro; los diagramas en E, F, y G se extraen aproximadamente a escala. Sin embargo, las flexibilidades relativas de estos polímeros difieren notablemente, como se indica por sus longitudes de persistencia: de menos a más flexible, microtúbulos (5.000 m), filamentos de actina (13,5 micras) y filamentos intermedios (0,5 micras).

En muchos tipos de células, las redes de filamentos de actina se encuentran debajo de la corteza celular, que es la malla de proteínas asociadas a la membrana que soporta y refuerza la membrana plasmática. Estas redes permiten a las células mantener – y moverse – formas especializadas, como el borde en cepillo de las microvellosidades intestinales. Los filamentos de actina también están implicados en la citocinesis y movimiento de las células (Figura 3).

Figura 3: Los filamentos de actina compatible con una variedad de estructuras en una célula.

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¿Qué hacen los lisosomas? | Ciencias en Scitable


Los lisosomas descomponen macromoléculas en sus partes constituyentes, que luego son recicladas. Estos orgánulos unidos a la membrana contienen una variedad de enzimas denominadas hidrolasas que pueden digerir proteínas, ácidos nucleicos, lípidos y azúcares complejos. El lumen de un lisosoma es más ácido que el citoplasma. En este entorno se activan las hidrolasas y se limita su trabajo destructivo al interior del lisosoma. En las plantas y los hongos, los lisosomas son llamados vacuolas. Los lisosomas se forman por la fusión de vesículas que son expulsadas desde el trans-Golgi.

El sistema de clasificación reconoce las secuencias de direcciones en las enzimas hidrolíticas y las dirige a los lisosomas en crecimiento. Además, las vesículas que brotan de la membrana plasmática a través de endocitosis también se envían a los lisosomas, donde sus contenidos – el líquido y moléculas del medio extracelular – se procesan. El proceso de endocitosis es un ejemplo de tráfico inverso de vesículas, y que desempeña un papel importante en la nutrición y la inmunidad, así como el reciclaje de membranas. Los lisosomas descomponen y así desarman muchos tipos de materias extrañas y potencialmente patógenas que se introducen en la célula a través de dicho muestreo extracelular (Figura 3).

Figura 3: Vías de transporte vesicular específica de proteínas. Una proteína llamada proteína de la cubierta II (COPII; verde) forma vesículas que transporta desde el retículo endoplásmico (RE) al Golgi. Una proteína diferente llamada capa de proteína I (COPI; rojo) forma vesículas de transporte en la otra dirección, desde el Golgi a la sala de emergencias. COPI también forma vesículas de Golgi transporte intra-. Clathrin (azul) forma complejos múltiples de acuerdo a su asociación con diferentes proteínas adaptadoras (AP). Clathrin que está asociado con AP1 y AP3 forma vesículas para el transporte de la red trans-Golgi a los compartimentos endosomales más tarde, y también para el transporte que emana de los compartimientos endosomales tempranos. Clathrin que se asocia con vesículas AP2 de la membrana plasmática que se transport a la membrana de forma temprana.

Conclusión

El sistema de endomembranas de las células eucariotas consiste en el RER, el aparato de Golgi, y los lisosomas. Componentes de la membrana como proteínas y lípidos, se intercambian entre estos orgánulos y la membrana plasmática a través de transporte vesicular con la ayuda de marcadores moleculares que dirigen los componentes específicos a sus destinos apropiados.

Retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas y | a aprender ciencias en Scitable.

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Fotosíntesis, cloroplastos | Scitable


Las células fotosintéticas

Las células obtienen los nutrientes de su entorno, pero ¿de dónde vienen esos nutrientes? Prácticamente todo el material orgánico en la Tierra ha sido producido por las células que convierten la energía del Sol en energía que contienen las macromoléculas. Este proceso, llamado fotosíntesis, es esencial para el ciclo global del carbono y de los organismos que realizan la fotosíntesis representan el nivel más bajo en la mayoría de las cadenas de alimentos.

¿Qué es la fotosíntesis? ¿Por qué es importante?

La mayoría de los seres vivos dependen de las células fotosintéticas para la fabricación de las moléculas orgánicas complejas que requieren como fuente de energía. Las células fotosintéticas son muy diversas e incluyen células que se encuentran en las plantas verdes, fitoplancton y cianobacterias. Durante el proceso de la fotosíntesis, las células utilizan el dióxido de carbono y la energía del Sol para formar moléculas de azúcar y oxígeno. Estas moléculas de azúcar son la base para las moléculas más complejas hechas por la célula fotosintética, tales como glucosa. Entonces, a través de los procesos de respiración, las células utilizan oxígeno y glucosa para sintetizar moléculas ricas en energía moléculas tales como ATP, y el dióxido de carbono se produce como un producto de desecho. Por lo tanto, la síntesis de la glucosa y su descomposición por las células son procesos opuestos.

El edificio y la rotura de los materiales a base de carbono – a partir de dióxido de carbono en moléculas orgánicas complejas (fotosíntesis), y vuelta a dióxido de carbono (respiración) – es parte de lo que comúnmente se llama el ciclo global del carbono . En efecto, los combustibles fósiles que utilizamos en nuestro mundo de hoy son los restos antiguos que una vez hicieron los organismos de la vida, y proporcionan un ejemplo dramático de este ciclo en el trabajo. El ciclo del carbono no sería posible sin la fotosíntesis, porque este proceso representa la “construcción” como porción base del ciclo.

Sin embargo, la fotosíntesis no se limita a conducir el ciclo del carbono, también crea el oxígeno necesario para que los organismos respiren. Curiosamente, a pesar de que las plantas verdes contribuyen con una gran parte al oxígeno del aire que respiramos, el fitoplancton y las cianobacterias de los océanos del mundo se cree que producen entre un tercio y la mitad del oxígeno de la atmósfera de la Tierra.

¿Qué células y orgánulos están implicados en la fotosíntesis?

Las células fotosintéticas contienen pigmentos especiales que absorben la energía luminosa. Diferentes pigmentos diferentes responden a diferentes longitudes de onda de la luz visible. La clorofila , el pigmento primario utilizado en la fotosíntesis, refleja la luz verde y absorbe la luz roja y azul con más fuerza. En las plantas, se realiza la fotosíntesis en los cloroplastos, que contienen la clorofila. Los cloroplastos están rodeados por una doble membrana y contienen una tercera membrana interna, denominada membrana de los tilacoides , que forma pliegues largos en el organelo. En micrografías electrónicas, las membranas de los tilacoides parecen pilas de monedas, a pesar de los compartimentos están conectados y forman un laberinto de cámaras. El pigmento de la clorofila verde se encuentra dentro de la membrana tilacoide, y el espacio entre los tilacoides y las membranas de los cloroplastos se denomina estroma (Figura 3, Figura 4).

La clorofila A es el principal pigmento utilizado en la fotosíntesis, pero hay varios tipos de clorofila y otros pigmentos numerosos que responden a la luz, incluyendo rojo, marrón, y pigmentos azules. Estos otros pigmentos pueden ayudar a canalizar la energía de luz a la clorofila A o proteger a la célula del daño luminoso. Por ejemplo, los protistas fotosintéticos llamados dinoflagelados, que son responsables de las “mareas rojas” que rápidamente advierten de no comer mariscos, contienen una variedad de pigmentos sensibles a la luz, como la clorofila y los pigmentos rojos responsables de su coloración dramática.

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Las mitocondrias | Aprender ciencias en Scitable


Las mitocondrias son orgánulos inusuales. Actúan como las plantas de energía de la célula, están rodeadas por dos membranas, y tienen su propio genoma. También se dividen independientemente de la célula en la que residen, lo que significa que la replicación mitocondrial no está acoplada a la división celular. Algunas de estas características son remanentes de los antiguos antepasados ​​de las mitocondrias, que son probablemente los procariotas de vida libre.

Figura 1: Una mitocondria

¿Cuál es el origen de las mitocondrias?

Las mitocondrias se cree que se originaron a partir de una antigua simbiosis que se produjo cuando una célula nucleada engulló un procariota aeróbico. La célula procariota llegó a confiar en el entorno de protección de la célula huésped, y, a la inversa, la célula huésped llegó a depender de la procariota para la producción de energía. Con el tiempo, los descendientes de las células procariotas envuelto desarrollado en las mitocondrias, y el trabajo de estos orgánulos – con oxígeno para crear energía – se convirtió en crítico para la evolución eucariotas (Figura 1). Las mitocondrias modernas tienen similitudes con algunos procariotas modernos, a pesar de que se han ido distanciando considerablemente desde el evento simbiótico inicial. Por ejemplo, la membrana mitocondrial interna contiene proteínas de transporte de electrones, como la membrana plasmática de los procariotas, y las mitocondrias también tienen su propio genoma circular procariota. Una diferencia con las células iniciales es que se cree que las mitocondrias han perdido la mayor parte de los genes que llevaron alguna vez sus antepasados procariotas. Aunque hoy en día las mitocondrias hacen sintetizar algunas de sus propias proteínas, la gran mayoría de las proteínas que se requieren son ahora codificadas en el genoma nuclear.

¿Cuál es el propósito de una membrana mitocondrial? Como se mencionó anteriormente, las mitocondrias contienen dos membranas principales. La membrana mitocondrial externa rodea completamente la membrana interna, con un pequeño espacio intermembrana en el medio. La membrana externa tiene muchas proteínas a base de poros que son lo suficientemente grandes para permitir el paso de iones y moléculas tan grandes como una proteína pequeña. En contraste, la membrana interna tiene una permeabilidad mucho más restringida, al igual que la membrana plasmática de una célula. La membrana interna también está cargada de proteínas implicadas en el transporte de electrones y la síntesis de ATP. Esta membrana rodea la matriz mitocondrial, donde el ciclo del ácido cítrico produce los electrones que viajan de un complejo de proteínas al siguiente en la membrana interna. Al final de esta cadena de transporte de electrones, el aceptor final de electrones es el oxígeno, y forma agua finalmente. Al mismo tiempo, la cadena de transporte de electrones produce ATP. (Por eso el proceso se denomina fosforilación oxidativa.)

Figura 2.En la membrana mitocondrial interna, un electrón de alta energía se transmite a lo largo de una cadena de transporte de electrones. La energía liberada hidrógeno bombea a la matriz del espacio entre las membranas mitocondriales. El gradiente creado por esta alta concentración de hidrógeno fuera de la membrana interna impulsa hidrógeno de nuevo a través de la membrana interna, a través de la ATP sintasa. Mientras esto sucede, la actividad enzimática de la ATP sintasa sintetiza ATP a partir de ADP.

Durante el transporte de electrones, los complejos de proteínas que participan empujan protones desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Esto crea un gradiente de concentración de protones que otro complejo de proteínas, llamado ATP sintetasa, utiliza para la síntesis de energía de moléculas energéticas de ATP (Figura 2).

Es el genoma mitocondrial sigue funcionando?

Los genomas mitocondriales son muy pequeños y muestran una gran cantidad de variación como consecuencia de la evolución divergente. Los genes mitocondriales que se han conservado en la evolución incluyen genes de rRNA, genes de tRNA genes, y un pequeño número de genes que codifican proteínas implicadas en el transporte de electrones y la síntesis de ATP. El genoma mitocondrial mantiene similitud con su antepasado procariota, al igual que algunas de las mitocondrias usan la maquinaria para sintetizar proteínas. De hecho, rRNAs mitocondriales se asemejan más a rRNAs bacterianos que los rRNAs eucariotas que se encuentran en el citoplasma celular. Además, algunos de los codones que usan las mitocondrias para especificar aminoácidos difieren de los codones eucariotas estándar. Sin embargo, la gran mayoría de las proteínas mitocondriales se sintetizan a partir de genes nucleares y se transportan a la mitocondria. Estos incluyen las enzimas requeridos para el ciclo del ácido cítrico, las proteínas implicadas en la replicación y transcripción del ADN y proteínas ribosomales. Los complejos de proteínas de la cadena respiratoria son una mezcla de proteínas codificadas por los genes mitocondriales y las proteínas codificadas por los genes nucleares. Las proteínas que hay tanto en las membranas mitocondriales externas como en las internas ayudan a transportar lo recién sintetizado, proteínas desplegadas desde el citoplasma a la matriz, donde sobreviene su plegamiento final  (Figura 3).

Figursa 3. Una secuencia señal en el extremo de una proteína (azul) reconoce una proteína de receptor (rosa) en la membrana mitocondrial externa y se pega a ella. Esto hace que la difusión de la proteína anclada y su receptor a través de la membrana a un sitio de contacto, donde las proteínas translocador hasta la línea (verde). Cuando en este sitio de contacto, las manos proteína del receptor de la proteína anclada a la proteína de translocador, que entonces los canales. Desdobla proteína pasado tanto las membranas mitocondriales interna y externa.

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La evolución de los aminoácidos | Scitable | Biología Molecular


Por: Ana Gutiérrez-Preciado, B.Sc. (Departamento de Microbiología Molecular, Univ. Nacional Aut. de México), Héctor Romero, B.Sc. (Laboratorio de Organizacion y Evolución del Genoma, Facultad de Ciencias Igua) y Mariana Peimbert, Ph.D. (Departamento de Ciencias Naturales, Universidad Autónoma Metropolitana) © 2010 Nature Education

Los aminoácidos son una de las primeras moléculas orgánicas en aparecer en la Tierra. ¿De qué están hechos y cómo han evolucionado?

Los aminoácidos desempeñan un papel central en el metabolismo celular, y los organismos los necesitan para sintetizar la mayoría de sus componentes. Muchos de nosotros nos familiarizamos con los aminoácidos cuando aprendimos sobre el proceso de traducción, esto es, la síntesis de proteína desde el código del ARNm. Hasta la fecha, los científicos han descubierto más de 500 aminoácidos en la naturaleza, pero sólo veintidós participan en la traducción. En 1943, Gordon, Martin y Synge utilizaron la cromatografía de partición para separar y estudiar los componentes de las proteínas (Gordon, Martin y Synge 1943), y hubo un gran avance que contribuyó a la rápida identificación de los veinte aminoácidos en las proteínas utilizados por todos los organismos vivos. Después de esta explosión inicial de descubrimientos, dos aminoácidos adicionales, que no son utilizados por todos los organismos, se han añadido a la lista: selenocisteína (Bock 2000) y pirrolisina (Srinivasan et al 2002.).

Aparte de su papel en las proteínas que forman, los aminoácidos tienen muchas funciones biológicas importantes. También son metabolitos de energía, y muchos de ellos son nutrientes esenciales. Los aminoácidos a menudo pueden funcionar como mensajeros químicos en la comunicación entre las células. Por ejemplo, Arvid Carlsson descubrió en 1957 que la amina 3-hydroxytyramine (dopamina) no sólo fue un precursor para la síntesis de adrenalina de la tirosina, sino que también es un neurotransmisor clave. Ciertos aminoácidos tales como la citrulina y la ornitina, que son intermediarios en la biosíntesis de la urea, son importantes intermediarios en diversas vías que implican al metabolismo del nitrógeno. Aunque otros aminoácidos son importantes en varias vías, S-adenosilmetionina actúa como un agente de metilación universal. Lo que sigue es una discusión de los aminoácidos, su biosíntesis, y la evolución de las vías de su síntesis, con un enfoque en el triptófano y la lisina.

Los orígenes de la biosíntesis de nutrientes

Figura 1: Principales acontecimientos en la evolución de la síntesis de aminoácidos
La forma de los aminoácidos se sintetizan ha cambiado durante la historia de la Tierra. El eón Hades representa el tiempo transcurrido desde que se formó la Tierra. El eón Arcaico posterior (aproximadamente 3.500 millones de años) se conoce como la edad de las bacterias y arqueas. El eón Proterozoico fue la reunión de oxígeno en la atmósfera terrestre, y el eón Fanerozoico coincide con la mayor diversificación de los animales, plantas y hongos.© 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

En 1953, Miller y Urey intentaron recrear las condiciones de la Tierra primitiva. En un matraz combinaron amoníaco, hidrógeno, metano y vapor de agua, más chispas eléctricas (Miller 1953). Ellos encontraron las moléculas que se formaron nuevas, e identificaron estas moléculas como once aminoácidos estándar. A partir de esta observación, se postula que los primeros organismos probablemente surgieron en un ambiente similar al que se construyó en su frasco, rico en compuestos orgánicos, ampliamente descritos como la sopa primordial. Esta hipótesis se ve ampliado a la afirmación de que, dentro de esta sopa, los organismos unicelulares evolucionaron a partir de ellos, y como el número de organismos aumentó, los compuestos orgánicos se agotaron. Necesariamente, en este entorno competitivo, aquellos organismos que fueron capaces de biosintetizar sus propios nutrientes a partir de elementos tenían una gran ventaja sobre aquellos que no podían (Figura 1). Hoy en día, la gran mayoría de los compuestos orgánicos se derivan de organismos biológicos que descomponen y reponer los recursos para el sostenimiento de otros organismos. Y, en lugar de surgir a partir de una sopa primordial electrificada, los aminoácidos emergen de la biosíntesis en las reacciones enzimáticas.

¿Cómo se construyen los aminoácidos?

Tal como se deduce por la raíz de la palabra (amino), el átomo clave en la composición de los aminoácidos es el nitrógeno. La última fuente de nitrógeno para la biosíntesis de los aminoácidos es nitrógeno atmosférico (N2) un gas casi inerte. Sin embargo, para ser metabólicamente útil, el nitrógeno atmosférico debe ser reducido. Este proceso, conocido como fijación del nitrógeno, se produce sólo en ciertos tipos de bacterias. Aunque el nitrógeno es uno de los elementos químicos más importantes en los sistemas vivos, N2 es casi no reactivo (y muy estable) debido a su triple enlace (N≡N). Esta unión es extremadamente difícil de romper porque los tres enlaces químicos tienen que ser separados y luego unidos a diferentes compuestos.

Las Nitrogenasas son la única familia de enzimas capaces de romper este enlace (es decir, lleva a cabo la fijación de nitrógeno). Estas proteínas utilizan una colección de iones metálicos como los portadores de electrones que son responsables de la reducción de N2 a NH3. Todos los organismos pueden utilizar este nitrógeno reducido (NH3) para hacer los aminoácidos. En los seres humanos, el nitrógeno reducido entra en el sistema fisiológico por fuentes alimenticias que contienen aminoácidos. Todos los organismos contienen la glutamato deshidrogenasa y la glutamina sintetasa, que convierten el amoníaco en glutamato y glutamina, respectivamente. Los grupos amino y amida de estos dos compuestos se pueden transferir a otras cadenas de carbono por transaminación y transamidación, reacciones para hacer aminoácidos. Curiosamente, la glutamina es el donante universal de grupos amina para la formación de muchos otros aminoácidos, así como muchos productos biosintéticos. La glutamina es también un metabolito clave para el almacenamiento de amoníaco. Todos los aminoácidos, con la excepción de la prolina, tienen un grupo amino primario (NH2 ) y un ácido carboxílico (COOH). Ellos se distinguen unos de los otros principalmente por los radicales unidos al átomo de carbono central.

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Linus Pauling | tiching


¿Conoces algún americano PACIFISTA y además que sea el mejor QUÍMICO de principios de siglo? Por encima de todos y después de luchar contra su gobierno (que le retenía a veces el pasaporte para que en los Congresos científicos no hiciera apología de la coexistencia pacífica de la humanidad) la figura de Linus Pauling sobresale por encima de todos como la más grande para la Química de la primera mitad del siglo XX.

Linus Pauling, investigador de Cal Tech

Cuando Linus Pauling falleció el 19 de agosto de 1994, el mundo perdió a uno de sus más grandes científicos y los trabajadores humanitarios y un muy respetado y querido defensor de las libertades civiles y las cuestiones de salud.

Debido a su dinámica personalidad y sus muchos logros en muy diversos campos, es difícil definir adecuadamente Linus Pauling. Un hombre que insistentemente abordado algunos problemas humanos fundamentales al tiempo que se persigue una increíble variedad de intereses científicos, el Dr. Pauling fue casi tan bien conocida por el público americano ya que fue a la comunidad científica del mundo. Él es la única persona que nunca dejará de recibir dos Premios Nobel – de Química (1954) y para la Paz (1962).

Además de el reconocimiento general como uno de los dos grandes científicos del siglo 20, fue generalmente reconocido por sus colegas como el más influyente desde el químico Lavoisier, el siglo 18 y fundador de la moderna ciencia de la química. Su libro de texto introductorio de Química General, revisado en tres ocasiones desde su primera impresión en 1947 y traducido a 13 idiomas, ha sido utilizado por generaciones de estudiantes. Después de Pauling entró en el campo de la química como profesional a mediados de los años 1920, su obra, basada en la física, ha afectado a la labor de cada farmacia. También es a menudo considerado el padre fundador de la biología molecular, que ha transformado las ciencias biológicas y la medicina y proporcionó la base para la biotecnología.

Un genio polifacético con un gusto por la comunicación, Linus Pauling durante años fue probablemente el más visible, vocal y accesibles de América científico. Un negro boina gastada durante un choque de pelo rizado de color blanco se convirtió en su marca, junto con un par de ojos azules vivos que expresó su interés en temas difíciles. Él era un maestro difícil de explicar, incluso abstruso, información médica y científica en términos comprensibles para los profanos inteligentes. Escribió numerosos artículos y libros para el público en general – sobre la ciencia, la paz, y la salud. Libros populares en la que Linus Pauling detalladas recomendaciones nutricionales son su vitamina C y el resfriado común, Cáncer y Vitamina C (con Ewan Cameron, MD), y Cómo vivir más tiempo y sentirse mejor. Fue tratado como un perenne orador de conferencias, mítines políticos, commencements, programas y medios de comunicación.

Al mismo tiempo, Linus Pauling producido una multitud de artículos científicos académicos sobre una sorprendente variedad de temas de investigación en numerosos campos. De los más de 1.000 artículos y libros que publicó como autor único o un con junto, dos tercios son sobre temas científicos. Su libro La Naturaleza de la química Bond es a menudo citado como el libro científico más influyente del siglo 20.

Linus Pauling nunca fue renuente a inspirar o entrar en polémica por poco ortodoxa expresar las ideas científicas, teniendo una fuerte posición moral, o de despertar al público a algunos noble causa. A menudo provocado los aspectos científicos, médicos, políticos y comunidades científicas con su imaginación y una fuerte hipótesis de activismo social. Tomó riesgos profesionales y personales que la mayoría de sus colegas evitarse. Firme y tenaz, pero rara vez de perder su equilibrio alegre, continuó en su elegido y, a veces solitario camino como un visionario de la ciencia y un profeta de la humanidad.

Para dar un ejemplo de su cometido pero libre de espíritu la naturaleza: En 1962, durante la administración Kennedy, el Paulings fueron invitados a una fiesta especial en la Casa Blanca en honor a premios Nobel. El Dr. Pauling pasado el día fuera de las puertas con un cartel que protestaron los ensayos nucleares atmosféricos. Entonces esa noche, él y su esposa se sentaron a una elegante cena con los Kennedy. Y cuando algunos música fue interpretada, la pareja sintió inspirado a levantarse y bailar – para alegría de los espectadores.

Descubrimientos importantes

Durante las siete décadas de su carrera científica, Pauling de intereses de investigación fueron sorprendentemente amplio y ecléctico. Hizo importantes descubrimientos en diferentes campos de la química – física, estructural, analítica, inorgánica, orgánica y química, así como la bioquímica. Ha utilizado la física teórica, en particular la teoría cuántica y la mecánica cuántica, en sus investigaciones de la estructura atómica y molecular y la química. Se aventuró en la metalurgia y la mineralogía a través del estudio de las estructura s atómicas y de unión de metales y minerales, y con sus colegas, publicaron las estructuras de cientos de sustancias inorgánicas, incluyendo topacio y mica. En tanto la medicina teórica y aplicada que hizo descubrimientos importantes en las enfermedades genéticas, hematología, inmunología, la función cerebral y psiquiatría, evolución molecular, la terapia nutricional, la tecnología de diagnóstico, estadísticas de epidemiología, y la biomedicina.

Gran parte de la Pauling lifework combinado la dedicación y los conocimientos del científico con un profundo compromiso con el humanismo que propugnan su principio ético de funcionamiento de la “minimización del sufrimiento.”

Los primeros años

Linus Carl Pauling nació en Portland, Oregón, el 28 de febrero de 1901. Él recibió su educación temprana en Oregon, acabado en 1922 con una licenciatura en ingeniería química desde Oregon Agricultural College en Corvallis – aho ra la Universidad Estatal de Oregón. Ya se señaló que el reto de cómo y por qué los átomos de forma particular, los bonos unos con otros para crear moléculas con estructuras únicas.

Para estudios de posgrado Pauling fue al Instituto Tecnológico de California (Caltech), que proporciona un estipendio para la investigación y la enseñanza. En 1925 recibió un doctorado en la química y la física matemática. Concedió una beca Guggenheim, en 1926-27 estudió en Europa con los físicos que estaban estudiando las implicaciones de la mecánica cuántica de la estructura atómica. En este nuevo y revolucionario Pauling encontrado un ámbito físico y matemático para su propio futuro en relación con las teorías estructura molecular y su correlación con propiedades químicas y de la función.

Linus Pauling.

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Metabolismo celular | Enzimas | Scitable


Alfa-amilasa, un enzima de glúcidos

Las operaciones diarias de la célula se llevan a cabo a través de las reacciones bioquímicas que ocurren dentro de la célula. Las reacciones empiezan y se acaban o aceleran y desaceleran de acuerdo a las necesidades inmediatas de la célula y sus funciones generales. En cualquier momento dado, las numerosas vías implicadas en la construcción y destrucción de componentes celulares deben controlarse y equilibrarse de una manera coordinada. Para lograr este objetivo, las células organizar las reacciones con diversos compuestos llamados enzimas.

¿Qué hacen las enzimas?

Las enzimas son catalizadores de proteínas que aceleran las reacciones bioquímicas, facilitando los reordenamientos moleculares que apoyan la función celular. Recordemos que las reacciones químicas convierten sustratos en productos , a menudo uniendo grupos químicos o mediante la ruptura de los grupos químicos de los sustratos. Por ejemplo, en la etapa final de la glucólisis , una enzima llamada piruvato quinasa transfiere un grupo fosfato a partir de un sustrato (fosfoenolpiruvato) a otro substrato (ADP), generando de ese modo piruvato y ATP como productos (Figura 1).

Figura 1: La glucólisis. La energía se utiliza para convertir la glucosa a una forma de seis carbonos. A partir de entonces, se genera energía para crear dos moléculas de piruvato. © 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

Las enzimas son proteínas flexibles que cambian de forma cuando se unen con moléculas de sustrato. De hecho, esta capacidad de unión y cambio de forma es cómo actúan las enzimas para aumentar las velocidades de reacción. En muchos casos, las enzimas funcionan mediante la unión de dos sustratos en estrecha proximidad y la orientación de ellos para que la transferencia de electrones sea más fácil. También pueden producir cambios  conformacionales o de forma como un interruptor on / off. Por ejemplo, cuando moléculas de un inhibidor se unen a un sitio de una enzima distinto del sitio de sustrato, puede hacer que la enzima asuma una conformación inactiva, lo que impediría que catalizara una reacción. A la inversa, la unión de moléculas activadoras pueden hacer una enzima asuma una conformación activa, esencial para activarlo (Figura 2).

Figura 2: La activación y la inactivación de reacciones enzimáticas. Las enzimas son proteínas que pueden cambiar de forma y por lo tanto se activa o inactiva. Una molécula activadora (verde pentágono) pueden unirse a una enzima (la forma de puzzle luz verde) y cambiar su forma general. Nota: La transformación del punto triangular en la enzima verde en una forma redondeada. Esta transformación permite que la enzima se unen mejor con su sustrato (pieza de puzzle luz rosa). En contraste, una molécula de inhibidor (círculo de color rosa) puede prevenir la interacción de una enzima con su sustrato y desactivar ésta.

¿Cuáles son las vías metabólicas?

Muchas de las transformaciones moleculares que ocurren dentro de las células requieren múltiples pasos a realizar. Recordemos, por ejemplo, que las células dividen una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato por medio de un proceso de diez pasos llamado glucólisis. Esta serie coordinada de reacciones químicas es un ejemplo de una ruta metabólica en la que el producto de una reacción se convierte en el sustrato para la siguiente reacción. Por consiguiente, los productos intermedios de una vía metabólica pueden ser de corta duración (Figura 3).

Figura 3.Las enzimas pueden catalizar cada paso en un camino de reacción. En cada paso, la molécula se transforma en otra forma debido a la presencia de una enzima específica. Tal vía de reacción puede crear una nueva molécula (biosíntesis), o se puede descomponer una molécula existente (degradación).© 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

A veces, las enzimas implicadas en una ruta metabólica particular, están conectadas físicamente, permitiendo que los productos de una reacción se canalice de manera eficiente a la enzima siguiente de la vía. Por ejemplo, la piruvato deshidrogenasa es un complejo de tres diferentes enzimas que catalizan la ruta de acceso a partir de piruvato (el producto final de la glicólisis) a acetil CoA (el primer sustrato en el ciclo del ácido cítrico). Dentro de esta vía, los productos intermedios se pasan directamente de una enzima a la siguiente.

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Estructura de las Proteínas | Scitable


Las proteínas son los productos finales de un proceso de decodificación que se inicia con la información en el ADN celular. Como bestias de carga de la célula, las proteínas componen elementos estructurales y motrices en la célula, y sirven como catalizadores para virtualmente cada reacción bioquímica que se produce en los seres vivos. Esta increíble variedad de funciones deriva de un código asombrosamente simple que especifica un conjunto muy diverso de estructuras.

De hecho, cada gen en el ADN celular contiene el código para una proteína de estructura única. No solo son estas proteínas ensambladas con diferentes secuencias de aminoácidos, sino que también se mantienen unidas por enlaces diferentes y plegadas en una variedad de estructuras tridimensionales. La forma plegada, o conformación, depende directamente de la secuencia lineal de aminoácidos de la proteína.

¿Cómo se forman las proteínas?

Los bloques de construcción de proteínas son los aminoácidos, que son moléculas orgánicas pequeñas que consisten de un átomo de carbono alfa (central) unido a un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno, y un componente variable llamada una cadena lateral R (ver más abajo) . Dentro de una proteína, varios aminoácidos están unidos por enlaces peptídicos, formando de ese modo una larga cadena. Los enlaces peptídicos se forman por una reacción bioquímica que extrae una molécula de agua a medida que se une al grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de un aminoácido vecino. La secuencia lineal de aminoácidos en una proteína se considera la estructura primaria de la proteína.

Las proteínas se construyen a partir de un conjunto de sólo veinte aminoácidos, cada uno de los cuales tiene una cadena lateral R única. Las cadenas laterales de los aminoácidos tienen diferentes composiciones químicas. El mayor grupo de aminoácidos que tienen cadenas laterales no polares. Varios otros aminoácidos tienen cadenas laterales con cargas positivas o negativas, mientras que otros tienen cadenas laterales polares pero sin carga. La química de las cadenas laterales de aminoácidos es crítico para la estructura de proteínas debido a que estas cadenas laterales pueden unirse entre sí para retener una cantidad de proteína en una cierta forma o conformación.  Las cadenas laterales cargadas de los aminoácidos pueden formar enlaces iónicos, y los aminoácidos polares son capaces de formar puentes de hidrógeno. Las cadenas laterales hidrófobas interaccionan entre sí a través de débiles interacciones de fuerzas van der Waals. La gran mayoría de los enlaces formados por estas cadenas laterales son no covalentes. De hecho, las cisteínas son los únicos aminoácidos capaces de formar enlaces covalentes, lo que hacen con sus cadenas laterales particulares. Debido a las interacciones de cadena lateral, la secuencia y la localización de los aminoácidos en una proteína particular guían donde se producen las dobleces y los pliegues  de la proteína (Figura 1).

Figura 1: La relación entre cadenas laterales de aminoácidos y la conformación de proteínas. La característica definitoria de un aminoácido es su cadena lateral (en el círculo superior, azul, a continuación, todos los círculos de color). Cuando conectados entre sí por una serie de enlaces de péptidos, aminoácidos formar un polipéptido, otra palabra para proteína. El polipéptido se plegará en una conformación específica dependiendo de las interacciones (líneas de puntos) entre sus cadenas laterales de aminoácidos.

La estructura primaria de una proteína, su secuencia de aminoácidos, impulsa la unión intramolecular de plegado de la cadena lineal de aminoácidos, que determina en última instancia la forma tridimensional única. El enlace de hidrógeno entre los grupos amino y grupos carboxilo en las regiones vecinas de la cadena de proteína a veces causa que se produzcan ciertos patrones de plegado.

Conocido como las hélices alfa y láminas beta, estos patrones de plegado estables constituyen la estructura secundaria de una proteína. La mayoría de las proteínas contienen múltiples hélices y hojas, además de otros patrones menos comunes (Figura 2).

Figura 2: La estructura de la proteína bacteriorrodopsina. La bacteriorrodopsina es una proteína de membrana de las bacterias que actúa como una bomba de protones. Su conformación es esencial para su función. La estructura general de la proteína incluye dos hélices alfa (verde) y láminas beta (rojo). © 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

El conjunto de formaciones y pliegues en una única cadena lineal de aminoácidos, a veces llamado un polipéptido, constituye la estructura terciaria de una proteína. Finalmente, la estructura cuaternaria de una proteína se refiere a aquellas macromoléculas con múltiples cadenas de polipéptidos o subunidades.

La forma final adoptada por una nueva síntesis de proteínas suele ser la más energéticamente favorable. Como las proteínas se pliegan, se prueba una variedad de conformaciones antes de llegar a su forma final, que es única y compacta. El plegado de proteínas se estabiliza por miles de enlaces no covalentes entre los aminoácidos.  Además, las fuerzas químicas entre una proteína y su entorno inmediato contribuyen a la forma y estabilidad de proteínas. Por ejemplo, las proteínas que están disueltas en el citoplasma de la célula tienen grupos químicos hidrófilos (amantes del agua) en sus superficies, mientras que su hidrófobos (aversión al agua) tienden a estar metidos dentro. En contraste, las proteínas que se insertan en las membranas celulares pueden mostrar algunos grupos químicos hidrofóbicos en su superficie, específicamente en aquellas regiones en las que está expuesta la superficie de la proteína a los lípidos de membrana. Es importante señalar, sin embargo, que las proteínas completamente plegadas no están congeladas en cuanto a su forma. Más bien, los átomos dentro de estas proteínas siguen siendo capaces de realizar movimientos pequeños.

Las proteínas se consideran macromoléculas, que son demasiado pequeñas para visualizarse, incluso con un microscopio. Por lo tanto, los científicos deben usar métodos indirectos para averiguar cómo se ven y cómo se doblan. El método más común usado para estudiar las estructuras de proteínas es cristalografía de rayos X.Con este método, los cristales sólidos de proteína purificada se colocan en un haz de rayos X, y el patrón de rayos X desviados se utilizan para predecir las posiciones de los miles de átomos dentro del cristal de proteína.

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Compartimentos subcelulares | Aprende ciencias en Scitable de Nature.com


El estudio de los compartimentos subcelulares es el estudio de la eficiencia y la mano de obra dividida dentro de la célula. Al igual que nuestra sociedad tiene profesiones en las que la gente hace un trabajo específico muy bien, la célula crea subregiones, cada una de las cuales permite ciertas funciones celulares para operar de manera más efectiva.

Como tal, la subdivisión de células en compartimentos discretos o partes permite a la célula para crear ambientes especializados para funciones específicas. Estos compartimentos pueden ser orgánulos, estructuras específicas que tienen conjuntos de tareas dentro de la célula, o pueden ser regiones locales de la celda definida por la concentración de moléculas o de distintas características físicas y las proporciones. Los compartimentos subcelulares son la clave para la manera de organizar los ámbitos de la vida. De hecho, si hay una característica clave que separa los eucariotas de los procariotas, es probablemente la presencia de compartimentos especializados dentro de la célula.

Aunque el núcleo es la estructura que define (eucariota en griego significa “núcleo verdadero”, en referencia al núcleo altamente visible), casi todas las células eucariotas también contienen una variedad de estructuras que no se encuentran en procariotas. Muchas de estas estructuras están rodeadas por una o dos membranas que separan los contenidos del resto del citoplasma. Estos compartimentos permiten una variedad de entornos  dentro de una sola célula, cada uno con su propio pH y composición iónica, y permiten que la célula pueda realizar funciones específicas más eficientemente que si estuvieran todos los compartimentos en el mismo entorno.

Por ejemplo, el lisosoma tiene un pH de aproximadamente 5,0 en comparación con el resto del citoplasma a pH 7,2. No es sorprendente que las enzimas que trabajan dentro de este orgánulo tienen un pH óptimo a aproximadamente 5, lo que les hace distintos de los que en el citoplasma celular principal. Un reto para los compartimentos subcelulares es cómo adquirir materiales dentro y fuera a través de las membranas, y cada compartimiento tiene su propia solución. La complejidad de las estructuras va desde las mitocondrias y los plástidos (con su propio ADN y ribosomas), o el aparato de Golgi con su cisternas múltiples, a simples vacuolas y vesículas.

Además de las estructuras unidas a membrana, también los eucariotas tienen un citoesqueleto complejo compuesto de tres componentes distintos: microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios. Cada uno de los tres juega un papel en el mantenimiento de la forma celular, y los microtúbulos y la actina también están involucrados en el transporte interno, así como la motilidad celular. Los defectos en cualquiera de estas estructuras puede dar lugar a trastornos clínicos. Por ejemplo, la alteración de filamentos intermedios en la envoltura nuclear provoca una cardiomiopatía, los defectos mitocondriales pueden conducir a una variedad de trastornos neuromusculares, y las mutaciones en los cilios o flagelos puede conducir a la enfermedad poliquística del riñón o esterilidad. El estudio de las estructuras subcelulares implica muchas preguntas. ¿Cómo y en qué condiciones se hace una división mitcondrial? ¿Cómo toman los virus el control de la maquinaria endocítica de una célula para propagarse? Qué controla el movimiento de ARNm de una región del citoplasma a otro? Este tipo de investigación implica a casi todas las herramientas disponibles para los biólogos celulares. La investigación inicial se realiza con una tinción específica y microscopía de luz. Un examen más detallado de las estructuras micrométricas y nanométricas subcelulares se activa más tarde por el aumento de la microscopía electrónica, que ilumina la complejidad de los orgánulos y sus posiciones variables dentro de la célula.

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Las membranas celulares


Las membranas celulares protegen y organizan las células. Todas las células tienen una membrana plasmática externa que regula no sólo lo que entra en la célula, sino también la cantidad que de una determinada sustancia entra. A diferencia de los procariotas, las células eucariotas también poseen membranas internas que encierran sus orgánulos y controlan el intercambio de los componentes esenciales de la célula. Ambos tipos de membranas tienen una estructura especializada que facilita su función de control del acceso.

¿De qué están hechas las membranas celulares?

Con pocas excepciones, las membranas celulares – incluyendo la membrana plasmática y las membranas internas – son de glicerofosfolípidos, moléculas compuestas de glicerol, un grupo fosfato, y dos cadenas de ácidos grasos. El glicerol es una molécula de tres carbonos que funciona como la columna vertebral de estos lípidos de membrana . Dentro de un glicerofosfolípido individual, los ácidos grasos están unidos a los átomos de carbono primero y segundo, y el grupo fosfato está unido al carbono tercero de la cadena principal de glicerol. Los grupos variables de la cabeza están unidos al fosfato. Los modelos moleculares de estas moléculas revelan su forma cilíndrica, una geometría que permite a los glicerofosfolípidos alinearse lado a lado para formar bicapas (Figura 1).

Figura 1: La bicapa lipídica y la estructura y composición de una molécula de glicerofosfolípido. A) La membrana plasmática de una célula es una bicapa de moléculas glicerofosfolípido. (B) una molécula glicerofosfolípido solo se compone de dos regiones principales: una cabeza hidrófila (verde) y las colas hidrófobas (púrpura). (C) Las subregiones de una molécula glicerofosfolípido; fosfatidilcolina se muestra como un ejemplo. La cabeza hidrofílica está compuesta de una estructura de colina (azul) y un fosfato (naranja). Esta cabeza está conectada a un glicerol (verde) con dos colas hidrofóbicas (púrpura) llamados ácidos grasos. (D) Esta vista muestra los átomos específicos dentro de las distintas subregiones de la molécula de fosfatidilcolina. Tenga en cuenta que un doble enlace entre dos de los átomos de carbono en uno de los hidrocarburos (ácido graso) colas provoca un retorcimiento ligero en esta molécula, por lo que parece doblado.© 2010 Nature Education

Los Glicerofosfolípidos son con mucho los lípidos más abundantes en las membranas celulares. Como todos los lípidos, son insolubles en agua, pero su geometría única hace que se agreguen en bicapas sin gasto de energía. Esto es debido a que son moléculas con dos caras, con cabezas de fosfato hidrófilas (amantes del agua) y las colas hidrocarbonadas de los ácidos grasos hidrófobas (huyen del agua). En el agua, estas moléculas espontáneamente se alinean con la cabeza mirando hacia el exterior y sus colas alineando en el interior de la bicapa. Por lo tanto, las cabezas hidrófilas de los glicerofosfolípidos se situan en la membrana plasmática se sitúan tanto hacia el citoplasma hidrófilo como hacia el exterior de la célula.

En total, los lípidos representan alrededor de la mitad de la masa de las membranas celulares. Las moléculas de colesterol, aunque menos abundantes que glicerofosfolípidos, representan aproximadamente el 20 por ciento de los lípidos en las membranas plasmáticas de las células animales. Sin embargo, el colesterol no sólo está presente en las membranas bacterianas o en las membranas mitocondriales. Además, el colesterol ayuda a regular la rigidez de las membranas, mientras que otros lípidos menos prominentes juegan un papel en la señalización celular y el reconocimiento de células.

Figura 2: La bicapa glicerofosfolípido con las proteínas transmembrana incrustadas

Además de los lípidos, las membranas están cargadas con proteínas. De hecho, las proteínas representan aproximadamente la mitad de la masa de la mayoría de las membranas celulares. Muchas de estas proteínas están embebidas en la membrana y sobresalen en ambos lados, se denominan proteínas de transmembrana. Las porciones de estas proteínas que están anidados en medio de las colas de hidrocarburos tienen características superficiales hidrofóbicas, y las partes que sobresalen son hidrófilas (Figura 2).

A temperaturas fisiológicas, las membranas celulares son fluidas; a temperaturas más frías, se convierten en gel. Los científicos que estudiaron los modelos de estructura de membrana describieron la dinámica de ésta como un mosaico fluido en el que las proteínas transmembrana se pueden mover lateralmente en la bicapa lipídica.Por lo tanto, la recogida de los lípidos y de las proteínas que forman una membrana celular se basa en las propiedades biofísicas naturales de su forma y función. En las células vivas, sin embargo, muchas proteínas no son libres de moverse. A menudo están ancladas en su lugar dentro de la membrana por correas a las proteínas fuera de la célula, elementos del citoesqueleto en el interior de la célula, o ambos.

¿Qué hacen las Membranas?

Las membranas celulares son barreras y sitios de paso. Son semi-permeables, lo que significa que algunas moléculas pueden difundir a través de la bicapa lipídica, pero otras no pueden. Las pequeñas moléculas hidrofóbicas y gases como oxígeno y dióxido de carbono las atraviesan rápidamente. Pequeñas moléculas polares, tales como agua y etanol, también puede pasar a través de membranas, pero lo hacen más lentamente. Por otra parte, las membranas celulares restringen la difusión de moléculas altamente cargadas, tales como iones y moléculas grandes, azúcares y aminoácidos. El paso de estas moléculas se basa en las proteínas de transporte específicas incrustadas en la membrana.

Las proteínas de membrana de transporte son específicas y selectivas para las moléculas que se mueven, y a menudo usamos la energía para catalizar su paso. Además, este transporte de algunos nutrientes en contra del gradiente de concentración requiere energía adicional. La capacidad para mantener gradientes de concentración y a veces mover los materiales contra ellos es vital para la salud celular y el mantenimiento del statu quo. Gracias a barreras de membrana y proteínas de transporte, la célula puede acumular nutrientes en concentraciones más altas que las que existen en el medio ambiente y, a la inversa, la eliminación de productos de desecho (Figura 3).

Figura 3. Proteínas especializadas en la membrana celular regular la concentración de moléculas específicas dentro de la célula. © 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

Otras proteínas transmembrana tienen puestos de trabajo relacionados con la comunicación. Estas proteínas unen señales, tales como hormonas o mediadores inmunes, a sus porciones extracelulares. Este encaje causa un cambio conformacional en la proteína que transmite una señal intracelular a o desde moléculas mensajeras. Al igual que las proteínas de transporte, proteínas receptoras son específicas y selectivas para las moléculas (Figura 4).

Ejemplos de la acción de las proteínas transmembrana

Figura 4: Ejemplos de la acción de las proteínas transmembrana.Transporters llevar una molécula (tal como glucosa) a partir de un lado de la membrana plasmática a la otra.Los receptores pueden unirse a una molécula extracelular (triángulo), y esto activa un proceso intracelular. Las enzimas de la membrana se puede hacer lo mismo que hacen en el citoplasma de una célula: transformar una molécula en otra forma. Proteínas de anclaje físicamente puede unir estructuras intracelulares con las estructuras extracelulares.

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Fabricando jabón


La obtención de jabón es una de las síntesis químicas mas antiguas. Fenicios, griegos y romanos ya usaban un tipo de jabón que obtenían hirviendo sebo de cabra con una pasta formada por cenizas de fuego de leña y agua (potasa). Un jabón es una mezcla de sales de ácidos grasos de cadenas largas. Puede variar en su composición y en el método de su procesamiento: Si se hace con aceite de oliva, es jabón de Castilla; se le puede agregar alcohol, para hacerlo transparente; se le pueden añadir perfumes, colorantes, etc.; sin embargo, químicamente, es siempre lo mismo y cumple su función en todos los casos. A lo largo de los siglos se ha fabricado de forma artesanal, tratando las grasas, en caliente, con disoluciones de hidróxido de sodio o de potasio. Aún, hoy en día, se hace en casa a partir del aceite que sobra cuando se fríen los alimentos.

Si quieres hacer una pequeña cantidad de jabón sólo necesitas aceite usado, agua y sosa cáustica (hidróxido de sodio), producto que puede comprarse en las droguerías.

Material que vas a necesitar:

  1. Recipiente de barro, metal o cristal.
  2. Cuchara o palo de madera.
  3. Caja de madera.
  4. 250 mL de aceite.
  5. 250 mL de agua.
  6. 42 g de sosa cáustica.

PRECAUCIÓN: La sosa cáustica es muy corrosiva y debes evitar que entre en contacto con la ropa o con la piel. En caso de mancharte lávate inmediatamente con agua abundante y jabón.

¿Qué vamos a hacer?

Echa en un recipiente, la sosa cáustica y añade el agua ¡mucho cuidado!, no  toques en ningún momento con la mano la sosa cáustica, porque puede quemarte la piel! Al preparar esta disolución observarás que se desprende calor, este calor es necesario para que se produzca la reacción.

Añade, poco a poco, el aceite removiendo continuamente, durante al menos una hora. Cuando aparezca una espesa pasta blanquecina habremos conseguido nuestro objetivo. Si quieres que el jabón salga más blanco puedes añadir un producto blanqueante, como un chorrito de añil; para que huela bien se puede añadir alguna esencia (limón, fresa).

A veces ocurre que por mucho que removamos, la mezcla está siempre líquida, el jabón se ha “cortado”. No lo tires, pasa la mezcla a una cacerola y calienta en el fuego de la cocina. Removiendo de nuevo aparecerá al fin el jabón. Echa la pasta obtenida en una caja de madera para que vaya escurriendo el  líquido sobrante. Al cabo de uno o dos días puedes cortarlo en trozos con un cuchillo. Y ya está listo para usar:

NO OLVIDES: lavar las manos, el cabello, la ropa, los suelos, etc.

Observa que el jabón que hemos conseguido es muy suave al tacto, debido a que lleva glicerina que se obtiene como subproducto de la reacción. Si quieres más cantidad puedes utilizar, por ejemplo, las siguientes proporciones: 3  Litros de aceite, 3 litros de agua, ½ kg de sosa cáustica.

Sigue el enlace de tu libro, lípidos, pag. 15. Fabricando jabón

.

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Protein Structure | Science at Scitable


¿QUÉ TAL VA TU INGLÉS? Intenta seguir esta monografía de Nature (SCITABLE).

Proteins are the end products of the decoding process that starts with the information in cellular DNA. As workhorses of the cell, proteins compose structural and motor elements in the cell, and they serve as the catalysts for virtually every biochemical reaction that occurs in living things. This incredible array of functions derives from a startlingly simple code that specifies a hugely diverse set of structures.

In fact, each gene in cellular DNA contains the code for a unique protein structure. Not only are these proteins assembled with different amino acid sequences, but they also are held together by different bonds and folded into a variety of three-dimensional structures. The folded shape, or conformation, depends directly on the linear amino acid sequence of the protein.

What Are Proteins Made Of?

The building blocks of proteins are amino acids, which are small organic molecules that consist of an alpha (central) carbon atom linked to an amino group, a carboxyl group, a hydrogen atom, and a variable component called a side chain (see below). Within a protein, multiple amino acids are linked together by peptide bonds, thereby forming a long chain. Peptide bonds are formed by a biochemical reaction that extracts a water molecule as it joins the amino group of one amino acid to the carboxyl group of a neighboring amino acid. The linear sequence of amino acids within a protein is considered the primary structure of the protein. Proteins are built from a set of only twenty amino acids, each of which has a unique side chain.
The side chains of amino acids have different chemistries. The largest group of amino acids have nonpolar side chains. Several other amino acids have side chains with positive or negative charges, while others have polar but uncharged side chains. The chemistry of amino acid side chains is critical to protein structure because these side chains can bond with one another to hold a length of protein in a certain shape or conformation. Charged amino acid side chains can form ionic bonds, and polar amino acids are capable of forming hydrogen bonds. Hydrophobic side chains interact with each other via weak van der Waals interactions. The vast majority of bonds formed by these side chains are noncovalent. In fact, cysteines are the only amino acids capable of forming covalent bonds, which they do with their particular side chains.

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Linus Pauling – Wikipedia, la enciclopedia libre


Como pronto vais a leer el libro La Doble Hélice, de James Watson, sobre el descubrimiento a principios de los ’50 de la estructura de doble hélice para el ADN, estaría bien que empezárais por los investigadores que se podrían dar cita por aquellos años en simposiums y congresos, ya que compartieron o les concedieron los Premios Nobel de Medicina (o de Química en algunos casos) en los albores de la bioquímica como una disciplina científica independiente . Años emocionantes en los que todo estaba por descubrir, y los distintos laboratorios se daban prisa por publicar sus trabajos en las revistas de la época.

Por encima de todos, figuraría Linus Pauling, que descubrió la estructura de alfa-lámina para las proteinas, y cuyos estudios impresionaron a los jóvenes Watson y Crick en sus años de estancia en el King’s.

Linus Pauling – Wikipedia, la enciclopedia libre.

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Si es un científico serio, no lea esto | Revista de la SEBBM


por Álex Fernández Muerza

Si es usted de los bioquímicos y biólogos moleculares que cree que la divulgación le distrae de su verdadero trabajo, o que responder a periodistas es una pérdida de tiempo, no lea este dossier y vaya a los artículos «serios» de su revista. O tal vez sí. Permita que los que nos distraemos y perdemos el tiempo le contemos por qué lo hacemos. ¿No ha sentido alguna vez curiosidad por ello? Al fin y al cabo, la curiosidad es la esencia de la ciencia.

Para ello, contamos con la docta y desinteresada colaboración de cuatro firmas: dos hombres, dos mujeres, dos científicos, dos periodistas. Un equilibrado y polifacético modo de ver las complejas relaciones entre ciencia, comunicación, cultura, periodismo y sociedad.

Carlos Elías, un químico que decidió hacerse periodista científico en El Mundo, y que se convirtió en el primer y hasta el momento único catedrático de periodismo científico en la Universidad Carlos III de Madrid. Carlos argumenta, en su artículo «La comprensión pública de la ciencia como campo emergente de investigación», por qué la divulgación científica no es para mentes de segunda, como creía el matemático británico Godfrey Hardy, y señala la gran cantidad de oportunidades que el emergente campo de la comprensión pública de la ciencia nos ofrece: conocer la influencia de los medios de comunicación, de la ficción con base científica, del cine, de las novelas, de la ciencia como elemento de persuasión política, como un efectivo generador de pánico colectivo…

Cristina Ribas, presidenta de la Asociación Catalana de Comunicación Científica (ACCC) y profesora de periodismo en la Universidad Pompeu Fabra, señala en su artículo «La divulgación y comunicación de la ciencia, en la encrucijada» los trascendentales cambios que se están produciendo en la actualidad en el mundo de la ciencia y todo lo que le rodea, y cómo todos los actores implicados en el entramado de la comunicación, divulgación o promoción de la cultura científica deben replantearse su papel. Porque, como recalca Cristina, la comunicación bidireccional con la ciudadanía es y será cada vez más necesaria, «por responsabilidad de la institución, porque el rendimiento de cuentas será cada vez más necesario y porque en el siglo XXI la comunicación pública es una parte imprescindible del funcionamiento económico y social».

Revista de la SEBBM.

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La historia del ADN -Los artículos originales- Nature.com


La revista Nature realizó un número especial con ocasión del cierre del mapeo del genoma humano coincidiendo con el cincuenta aniversario del descubrimeinto de la estructura de la doble hélice del ADN por parte de Watson, Crick y Wilkins. Esta es la entrada de la página dedicada especialmente a esta efeméride:

“1953 fue un annus mirabilis para la ciencia . A continuación, presentamos cinco trabajos clásicos de Nature que describen y proporcionan evidencia de la doble hélice es la estructura del ADN, y uno de The Journal of Experimental Medicine, que ha sido descrito como el “momento decisivo en la investigación de ácido nucleico”.

Los artículos originales, en inglés, que marcaron un hito en la investigación en la medicina y biología del siglo XX los podéis ahora encontrar en ese link: http://www.nature.com/nature/dna50/index.html

Una estructura de ácido desoxirribonucleico

JD Watson y Crick FHC Nature 171 , 737-738 (1953) 25 de abril 1953: James Watson y Francis Crick;  artículo clásico que describe en primer lugar la estructura de doble hélice del ADN. Con un poco de eufemismo, señalan que la estructura “sugiere un posible mecanismo de copia para el material genético”.

Estructura molecular de los ácidos nucleicos desoxipentosa

MHF Wilkins, AR AR Stokes & Wilson, HR Nature 171 , 738-740 (1953) 25 de abril 1953: De la misma cuestión, Wilkins, Stokes y Wilson analizan la evidencia cristalográfica con rayos X, y sugieren evidencia de que la estructura existe en los sistemas biológicos.

Configuración molecular en sodio Thymonucleate

R. Franklin y Gosling RG Nature 171 , 740-741 (1953) 25 de abril 1953: Rosalind Franklin y Gosling Ray proporcionan evidencia adicional de la naturaleza helicoidal de los ácidos nucleicos, y la conclusión de que el esqueleto de fosfato se encuentra en la exterior de la estructura.

Implicaciones genéticas de la estructura del ácido desoxirribonucleico

JD Watson y Crick FHC Naturaleza 171 , 964-967 (1953) 30 de mayo 1953: Watson y Crick seguir con la especulación en gran medida exacta de cómo el apareamiento de bases en la doble hélice permite la replicación del ADN.

La evidencia de la hélice de 2 cadenas en la estructura cristalina de sodio Deoxyribonucleate

R. Franklin y Gosling RG Nature 172 , 156-157 (1953) 25 de julio 1953: Franklin y Gosling detalle las diferencias entre las estructuras A y B de la doble hélice del ADN.

Los estudios sobre la naturaleza química de la sustancia que induce la transformación de los tipos de neumococo

Avery, OT, MacLeod, y McCarty CM, M. J. Exp. Med. 79, 137-159 (1944) 01 de febrero 1944: En este clásico artículo de la revista Journal of Experimental Medicine, el equipo de Mac McCarty demostraron por primera vez que el ADN es el material de la herencia. Hasta entonces, los biólogos pensaban que «genes», las unidades de la herencia, provenían de proteínas.

 

No sólo tenéis los artículos ORIGINALES enviados a la revista Nature por los mejores investigadores sino el trabajo original de McLeod y Avery, un trabajo CRUCIAL en la historia del descubrimiento del ADN como material hereditario.Además uno de los artículos es el que que envió Rosalind Franklin, una de las heroínas de esta historia, que fue la UNICA IGNORADA en el reparto de la gloria cuando les fue otorgado el premio Nobel a sus autores.

Más info en : http://www.nature.com/nature/dna50/archive.html

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Origen de los Virus | Aprender ciencias en Scitable (Nature)


Por: David R. Wessner, Ph.D. ( Departamento de Biología, Universidad de Davidson ) © 2010 Nature Education Cita:Wessner, RD  (2010)  Los orígenes de los virus. Nature  3(9):37
¿Cómo evolucionan los virus? ¿Son una forma simplificada de algo que existió hace mucho tiempo, o una culminación definitiva de pequeños elementos genéticos unidos?

La historia de la evolución de los virus por virólogos y biólogos celulares representa un fascinante, aunque turbio asunto. Debido a la gran diversidad de los virus, los biólogos han tenido problemas con la forma de clasificar estas entidades y cómo se relacionan con el árbol de la vida convencional. Ellos pueden representar elementos genéticos que ganaron la habilidad de moverse entre las células. Pueden representar organismos antiguos de vida libre que se convirtieron en parásitos. Ellos pueden ser los precursores de la vida tal como la conocemos.

virus

virus (Photo credit: twenty_questions)

Los fundamentos de los virus

Sabemos que los virus son muy diversos. A diferencia de todas las demás entidades biológicas, algunos virus, como el virus de la polio, tienen ARN y algunos, como el virus del herpes, tienen ADN. Además, algunos virus (como el virus de la gripe) tienen un sola hebra, mientras que otros (como la viruela) tienen doble hélice. Sus estructuras y replicación de estrategias son igualmente diversas. Los virus sin embargo, comparten algunas características: En primer lugar, por lo general son bastante pequeños, con un diámetro de menos de 200 nanómetros (nm). En segundo lugar, sólo puede replicarse en una célula huésped. En tercer lugar, ningún virus conocido contiene ribosomas, un componente necesario para la maquinaria de traducción de proteínas de una célula.

Los virus y el árbol de la vida

¿Son seres vivos?

Para examinar esta cuestión, es necesario tener una buena comprensión de lo que significan por “vida”. Aunque las definiciones específicas pueden variar, los biólogos están de acuerdo en que todos los organismos vivos exhiben varias propiedades clave: Pueden crecer, reproducirse, mantener una homeostasis interna, responder a estímulos, y llevar a cabo diversos procesos metabólicos. Además, las poblaciones de organismos vivos evolucionan con el tiempo.

 ¿Los virus se ajustan a estos criterios? Sí y no. Probablemente nos damos cuenta de que los virus se reproducen de alguna manera. Podemos llegar a ser infectados con un pequeño número de partículas de virus – por inhalación de partículas expulsadas cuando otra persona al toser, por ejemplo – y luego se enferma durante varios días después, cuando los virus se replican dentro de nuestros cuerpos. Del mismo modo es probable que se den cuenta de que los virus evolucionan con el tiempo. Tenemos que conseguir una vacuna contra la gripe todos los años debido principalmente a los cambios del virus de la gripe, de un año a otro, precisamente porque evoluciona. (Nelson y Holmes 2007).

Los virus no obstante, llevan a cabo los procesos metabólicos. Más notablemente, los virus difieren de los organismos vivos en que no pueden generar ATP. Los virus tampoco  poseen la maquinaria necesaria para la traducción proteica, como se mencionó anteriormente. Ellos no poseen ribosomas y no se puede formar independientemente proteínas a partir de moléculas de ARN mensajero . Debido a estas limitaciones, los virus pueden replicarse únicamente dentro de una célula huésped viva. Por lo tanto, los virus son parásitos intracelulares obligados. De acuerdo con una definición estricta de la vida, son inertes. No todos, sin embargo, necesariamente estarán de acuerdo con esta conclusión. Tal vez los virus representan un tipo diferente de organismo en el árbol de la vida -los organismos cápside de codificación, o CEOs (Figura 1; Raoult y Forterre 2008).

¿De dónde provienen los virus?

Hay un gran debate entre los virólogos sobre esta cuestión. Tres hipótesis principales han sido articulados: 1. La progresiva o escape, hipótesis que establece que los virus surgieron de los elementos genéticos que ganaron la habilidad de moverse entre las celulas; 2. la regresiva, o reducción, hipótesis que afirma que los virus son restos de organismos celulares, y 3. la hipótesis que establece que los virus son anteriores o coevolucionaron con sus anfitriones celulares actuales.

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Hipotónico – Wikipedia


Una solución hipotónica, denominada también hipotona es una solución con baja concentración de soluto.

Biología

En biología, una solución hipotónica es aquella que tiene menor concentración de soluto en el medio exterior en relación al medio interior de la célula, es decir, en el interior de la célula hay una cantidad de sal mayor que de la que se encuentra en el medio en la que ella habita. 1 Una célula sumergida en una solución con una concentración más baja de materiales disueltos, está en un ambiente hipotónico; la concentración de agua es más alta (a causa de tener tan pocos materiales disueltos) fuera de la célula que dentro. Bajo estas condiciones, el agua se difunde a la célula, es decir, se produce ósmosis de líquido hacia el interior de la célula.

Una célula en ambiente hipotónico se hincha con el agua y puede explotar; cuando se da este caso en los glóbulos rojos de la sangre, se denomina hemólisis. Los organismos que viven en suelos de arroyos y lagos habitan en agua de lluvia modificada, que es un ambiente hipotónico. Las células animales sufren el fenómeno de citólisis, que lleva a la destrucción de la célula, debido al paso del agua al interior de ella. Por otro lado, en las células vegetales ocurre el fenómeno de presión de turgencia: cuando entra agua, la célula se hincha pero no se destruye debido a la gran resistencia de la pared celular.

Hipotónico – Wikipedia, la enciclopedia libre.

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El descubrimiento de la doble hélice de ADN: Watson y Crick | Cursos de Ciencias de Scitable


By: Leslie A. Pray, Ph.D. © 2008 Nature Education
Citation: Pray, L. (2008) Discovery of DNA structure and function: Watson and Crick. Nature Education 1(1)

Mucha gente cree que el biólogo estadounidense James Watson y el físico inglés Francis Crick descubrieron el ADN en la década de 1950. En realidad, este no es el caso. Más bien, el ADN fue identificado por primera vez a finales de 1860 por el químico suizo Friedrich Miescher. Luego, en las décadas posteriores al descubrimiento de Miescher, otros científicos -en particular, Phoebus Levene y Erwin Chargaff- llevaron a cabo una serie de investigaciones que revelaron más detalles sobre la molécula de ADN, incluyendo sus componentes químicos primarios y las formas en que se unieron uno con el otro. Sin la base científica proporcionada por estos pioneros, Watson y Crick nunca podrían haber llegado a su conclusión revolucionaria de 1953: que la molécula de ADN existe en la forma de una imagen tridimensional de doble hélice .

La primera pieza del rompecabezas: Miescher descubre el ADN

Pocas personas se dan cuenta de 1869 fue un año clave en la investigación genética, porque fue el año en que se suizo Friedrich Miescher, fisiológico químico, identificó por primera vez lo que llamó “nucleína” dentro de los núcleos de las células blancas de la sangre. (El término “nucleína” fue más tarde cambiado a “ácido nucleico” y finalmente a “ácido desoxirribonucleico”, o”ADN”.) El plan de Miescher fue aislar y caracterizar no la nucleína (que nadie en ese momento se dio cuenta existía), sino las proteínas componentes de los leucocitos (glóbulos blancos).

Miescher así hizo los arreglos para una clínica quirúrgica local para que le enviaran restos de pus recubiertos con vendajes de pacientes, y una vez que recibió las vendas, se las arregló para lavar, filtrar los leucocitos, y extraer e identificar las distintas proteínas dentro de las células blancas de la sangre. Pero cuando se encontró con una sustancia del núcleo de las células que tenían propiedades químicas diferentes a cualquier proteína, incluyendo un contenido de fósforo muy superior y resistencia a la proteolisis (digestión de las proteínas), Miescher se dio cuenta de que había descubierto una nueva sustancia (Dahm, 2008). Al sentir la importancia de sus hallazgos, Miescher escribió: “Es probable que toda una familia de moléculas con esas ligeras variaciones que contienen fósforo,  sean como un grupo de nucleinas, equivalente a las proteínas” (Wolf, 2003).

Más de 50 años pasaron antes de que la importancia del descubrimiento de Miescher de ácidos nucleicos fuera muy apreciado por la comunidad científica. Por ejemplo, en un ensayo de 1971 sobre la historia de la investigación del ácido nucleico, Erwin Chargaff señala en 1961 en un recuento de la historia de la ciencia del siglo XIX, Charles Darwin fue mencionado 31 veces, Thomas Huxley 14 veces, pero Miescher ni una sola vez. Esta omisión es tanto más notable, dado que, como Chargaff observó también, el descubrimiento de Miescher de ácidos nucleicos fue el único entre los descubrimientos de los cuatro principales componentes celulares (es decir, proteínas, lípidos, polisacáridos y ácidos nucleicos) que puede ser ” fechado precisamente … [como] un hombre, un lugar, una fecha “.

Sentando las bases: Levene investiga la estructura del ADN

Mientras tanto, incluso el nombre de Miescher cayó en el olvido en el siglo XX, otros científicos continuaron la investigación de la naturaleza química de la molécula conocida anteriormente como nucleína. Uno de estos otros científicos era bioquímico ruso Phoebus Levene. Siendo médico y después químico, Levene fue investigador prolífico, publicando más de 700 trabajos sobre la química de las moléculas biológicas a lo largo de su carrera. Levene se acredita con muchas novedades. Por ejemplo, fue el primero en descubrir el orden de los tres componentes principales de un solo nucleótido (fosfato-azúcar-base), la primera para descubrir el componente de carbohidratos de ARN (ribosa), la primera para descubrir el componente de carbohidratos de ADN (desoxirribosa), y los primeros en identificar correctamente la forma en moléculas de ARN y el ADN se juntan.

Durante los primeros años de la carrera de Levene, ni Levene ni ningún otro científico del tiempo sabía cómo los componentes individuales de nucleótidos de ADN fueron dispuestos en el espacio; descubrimiento del azúcar-fosfato columna vertebral de la molécula de ADN era todavía muy lejos. El gran número de grupos moleculares disponibles para la unión por cada componente de nucleótidos quiere decir que existen numerosas formas alternativas de que los componentes podrían combinar. Varios científicos proponer sugerencias sobre cómo esto podría ocurrir, pero que era “polinucleótido” Levene modelo que resultó ser la correcta. Sobre la base de años de trabajo utilizando hidrólisis para descomponer y analizar levadura ácidos nucleicos, Levene propuso que los ácidos nucleicos se compone de una serie de nucleótidos, y que cada nucleótido se compone a su vez de sólo una de las cuatro bases que contienen nitrógeno, una molécula de azúcar , y un grupo fosfato. Levene hizo su primera propuesta en 1919, otras sugerencias descrédito que habían sido presentadas por la estructura de los ácidos nucleicos. En las propias palabras de Levene: “Los nuevos hechos y nuevas pruebas puede causar su alteración, pero no hay duda en cuanto a la estructura de polinucleótido del ácido nucleico levadura” (1919).

Figura 1: Els nucleòtids tenen tres components.
Un nucleòtid consta d’un grup fosfat, un sucre pentosa (ribosa o desoxirribosa), i una base que conté nitrogen, tots ells vinculats entre si per enllaços covalents. Les bases nitrogenades tenen dues formes químiques diferents: purines tenen dos anells condensats, i les pirimidines més petites tenen un sol anell. © 2008 per Sinauer Associates, Inc reservats. Usat amb permís.

De hecho, muchos nuevos hechos y nuevas pruebas surgieron muy pronto surgió y han causado alteraciones a la propuesta de Levene. Un descubrimiento clave en este período implica la forma en la que se clasificaban los nucleótidos. Levene propuso lo que se llama una estructura tetranucleótido, en el que los nucleótidos estaban vinculados siempre en el mismo orden (es decir, GCTAGCTA y así sucesivamente). Sin embargo, los científicos finalmente se dieron cuenta de que la estructura propuesta tetranucleótido de Levene era demasiado simplista y que el orden de los nucleótidos a lo largo de un tramo de ADN (o ARN) es, de hecho, altamente variable. A pesar de esta realización, la estructura propuesta polinucleótido Levene era correcta en muchos aspectos. Por ejemplo, ahora se sabe que el ADN es de hecho, compuesta de una serie de nucleótidos y que cada nucleótido tiene tres componentes: un grupo fosfato, un azúcar bien de una ribosa (en el caso de ARN) o desoxirribosa (en el caso del ADN), y una sola base que contiene nitrógeno. También sabemos que hay dos categorías básicas de bases nitrogenadas: las purinas ( adenina [A] y guanina [G]), cada uno con dos anillos fusionados, y las pirimidinas ( citosina [C], timina [T], y uracilo [ U]), cada uno con un solo anillo. Además, ahora se acepta ampliamente que el ARN sólo contiene A, G, C y U (no T), mientras que el ADN contiene sólo A, G, C y T (no U) (Figura 1).

continúa leyendo el artículo: El descubrimiento de ADN de doble hélice: Watson y Crick | Cursos de Ciencias de Scitable.

Referencias y lecturas Recomendadas

Chargaff, E. Química especificitat dels àcids nucleics i el mecanisme de la seva degradació enzimàtica. Experientia 6 , 201-209 (1950). Prefaci a una gramàtica de la biologia. Science 171 , 637-642 (1971)

Dahm, R. Descobrint l’ADN:. Miescher Friedrich i els primers anys de la investigació d’àcids nucleics Human Genetics 122 , 565-581 (2008)

Levene, PA L’estructura de l’àcid nucleic de llevat. IV. Amoníac hidròlisi . Journal of Biological Chemistry 40 , 415-424 (1919)

Rich, A., &. Zhang, S. Z-DNA:. El llarg camí cap a la funció biològica Nature Reviews Genetics 4 , 566-572 (2003) ( enllaç a l’article )
Watson, JD, i Crick, FHC Una estructura per l’àcid nucleic desoxiribosa. Nature 171 , 737-738 (1953) ( enllaç a l’article )

Wolf, G. Friedrich Miescher:. L’home que va descobrir l’ADN Chemical Heritage 21 , 10-11, 37-41 (2003)

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Descubiertas las células madre del cáncer de próstata


Josep Domingo y Carlos Cordón, investigadores del hospital Mount Sinai de Nueva York que han identificado células madre del cáncer de próstata LV / Hospital Mount Sinai

Los cánceres de próstata que se vuelven resistentes a las terapias contienen una pequeña población de células madre que guían la evolución de la enfermedad, según los resultados de una investigación que ha dirigido Carlos Cordon, del hospital Mount Sinai de Nueva York. Estas células, que repueblan el tumor tras los tratamientos, son las responsables de la aparición de las metástasis que acaban llevando a la muerte de los pacientes. La misma investigación ha demostrado que un tratamiento experimental desactiva las células madre del cáncer de próstata, lo que abre una vía de esperanza para tratar la enfermedad cuando las otras terapias fracasan.

“Hemos encontrado el talón de Aquiles del cáncer de próstata resistente a la quimioterapia”, ha declarado Carlos Cordon en entrevista telefónica. Con todo, el tratamiento aún no está a punto para ofrecerse a los pacientes. Por ahora solo se ha ensayado en el laboratorio con cultivos de células cancerosas y con ratones. Cordon tiene previsto iniciar ensayos clínicos en personas “en un plazo de tres o cuatro meses y, si los resultados son positivos como esperamos, los tratamientos podrán aplicarse a gran escala dentro de unos dos años”.

La resistencia a la quimioterapia es un problema común y grave en el cáncer de próstata, recuerda Josep Domingo, primer autor de la investigación, también del hospital Mount Sinai. Es esta resistencia la que hace que el de próstata sea el tercer cáncer que más muertes causa en hombres en Catalunya, por detrás del de pulmón y el colorrectal.

Según los resultados de la investigación presentados en la revista Cancer Cell, cuantas más células madre hay en un tumor, más rápidamente progresa la enfermedad y peor es el pronóstico para los pacientes. Pero estas mismas células que hacen que el cáncer sea más agresivo son también su talón de Aquiles. Concretamente, hay dos proteínas que suelen estar activas en las células madre llamadas Notch y Hedgehog por las que se puede atacar el cáncer. Los investigadores han demostrado que, si a la quimioterapia se le añade un fármaco contra Notch y otro contra Hedgehog, se inhibe el crecimiento de los tumores en ratones.

“Los resultados son muy positivos”, destaca Carlos Cordon. “Ya existen fármacos inhibidores de Hedgehog aprobados contra otros cánceres y tienen una toxicidad mínima”. En cuanto a los inhibidores de Notch, ya se están ensayando en pacientes para el tratamiento de un tipo de leucemia. “Esto nos hace tener esperanzas de que podremos trasladar este avance a los pacientes en un plazo de tiempo no demasiado largo”, destaca el investigador.

vía Descubiertas las células madre del cáncer de próstata.

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Biology cell division


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Dos enzimas controlan el ‘silencio’ de la cromatina – CSIC.es


Fecha 31/08/2012 Departamento de Comunicación CSIC

Una investigación en la que ha participado el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha descubierto el papel de dos enzimas sobre la cromatina. La acción de SET-25 y MET-2 impide la expresión de los genes innecesarios y los sitúa en la periferia del núcleo celular, según describe un artículo publicado hoy en la revista Cell.

Todas las células eucariotas presentan en su núcleo cadenas de material genético en forma de cromatina y, en cada organismo, el contenido genético de sus células es siempre el mismo. No obstante, dependiendo del tipo celular del que se trate, cada célula necesitará expresar ciertos genes para llevar a cabo sus labores específicas.

Las cadenas de cromatina activas, cuyos genes son expresados, se presentan en forma de eucromatina, con cadenas menos densas y localizadas en la parte central del núcleo celular. Por su parte, las cadenas inactivas, que poseen genes silenciados, representan la heterocromatina, de cadenas densas y situadas en la periferia nuclear.

Uno de los componentes clave de la cromatina es la proteína histona H3. El estudio revela que las enzimas SET-25 y MET-2 regulan la transformación de esta histona, que da lugar a la formación de heterocromatina en la periferia nuclear.

El investigador del Centro Andaluz de Biología del Desarrollo (centro mixto del CSIC y la Universidad Pablo de Olavide) Peter Askjaer explica: “Es necesario que la célula mantenga bien organizado el genoma en regiones activas y silenciadas para expresar solo los genes que necesita”. Así, el equipo de Askjaer ha descubierto que, en ausencia de ambas enzimas, los genes de la heterocromatina en el nematodo Caenorhabditis elegans empiezan a activarse y ésta pierde su localización nuclear periférica para adoptar una posición aleatoria.

Para Askjaer, “el hallazgo puede tener implicaciones en medicina regenerativa, a través del uso de células madre pluripotenciales inducidas, en cuya formación deben ser reiniciados algunos marcadores epigenéticos, como las metilaciones de la histona H3, para conseguir una célula troncal nativa”. La investigación ha contado con la colaboración de investigadores del Instituto Friedrich Miescher de Investigación Biomédica y de la Universidad de Basilea (ambos en Suiza).

Benjamin D. Towbin, Cristina González-Aguilera, Ragna Sack, Dimos Gaidatzis, Véronique Kalck, Peter Meister, Peter Askjaer and Susan M. Gasser. Step-Wise Methylation of Histone H3K9 Positions Heterochromatin at the Nuclear Periphery. Cell. 10.1016/j.cell.2012.06.051

Descargar la Nota de Prensa en Dos enzimas controlan el ‘silencio’ de la cromatina – csic.es.

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El mortal hantavirus podría afectar a 10.000 personas en EE.UU.


En 2011, la mitad de los casos detectados acabaron en muerte | Desde 1993 el promedio de fallecidos en casos detectados es del 36 por ciento

Un ejemplo de hantavirus, CDC/ Cynthia Goldsmith, Luanne Elliott /Wikipedia

Los Ángeles. (EFE).- Unas 10.000 personas que se alojaron recientemente en cabañas del Parque Nacional de Yosemite corren riesgo de haber contraído hantavirus, un virus mortal, informaron hoy los Centros de Control y Prevención de Enfermedades (CDC) de Estados Unidos. “La gente que se hospedó en las Signature Tent Cabins (en el campamento Curry Village) entre el 10 de junio y el 24 de agosto podría estar en riesgo de desarrollar el hantavirus en las próximas seis semanas”, explicó el CDC en un comunicado.

En las últimas horas se han detectado al menos dos casos más de la enfermedad que hasta ahora ha provocado la muerte a dos personas, elevando así el número confirmado de infectados a seis, según las autoridades. Otros supuestos casos se están investigando en la actualidad. El CDC urgió a cualquier persona en esa situación a hacerse exámenes médicos en caso de experimentar algún síntoma asociado al síndrome pulmonar por hantavirus (HPS, siglas en inglés), una infección poco frecuente pero que puede llegar a ser mortal y es diseminada por ratones y ratas.

Los síntomas son fatiga, fiebre, dolores musculares -especialmente en muslos, caderas y espalda-, dolor de cabeza, escalofríos, mareos, náuseas, vómitos, diarrea, dolores abdominales y dificultades para respirar. Los roedores expulsan el virus a través de la orina, los excrementos y la saliva. Según el portal Medline Plus, pequeñas gotas del virus pueden flotar en el aire y los humanos pueden contraer la enfermedad si respiran ese aire infectado o entran en contacto con los roedores o sus excrementos.

Seguir: http://www.lavanguardia.com/sucesos/20120901/54344214523/mortal-hantavirus-ee-uu.html#ixzz25DcW8iPp

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