Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió

I 0 flashcards i 9 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS BIOLOGIA CEL·LULAR Grau en Biologia Universitat Autònoma de Barcelona AprenAI 2026-2027 Apunts complets de Biologia Cel·lular: nucli, transport nuclear, mitocondris, peroxisomes, vies de senyalització cel·lular, cicle cel·lular, mitosi i meiosi.

APREN.AI Índex El nucli cel·lular 1 Estructura, embolcall nuclear i transport nucleocitoplasmàtic Arquitectura de l'embolcall nuclear El complex del porus nuclear (NPC) Mecanismes de transport nucleocitoplasmàtic Importació de proteïnes cap al nucli Exportació nuclear de proteïnes i complexes ribonucleoproteics 2 Matriu nuclear, nuclèol i compactació de la cromatina Matriu nuclear i organització interna El nuclèol: ultraestructura i cicle funcional Biogènesi i maduració dels ribosomes Estructura química del DNA i cromatina Nivells d'empaquetament de la cromatina Eucromatina i heterocromatina: constitutiva i facultativa 3 Citosol i proteòstasi — Plegament, modificacions i degradació de proteïnes Nivells estructurals i conformació nativa Xaperones moleculars i xaperonines: Hsp70 i Hsp60 Modificacions post-traduccionals de les proteïnes Vies de degradació i senyals proteolítics La cascada d'ubiqüitinació i el proteasoma 26S Patologies associades al mal plegament proteic 4 Mitocondris i peroxisomes — Bioenergètica cel·lular i oxidació de metabòlits Morfologia, dinàmica i arquitectura mitocondrial Oxidació de substrats metabòlics i fosforilació oxidativa Desacoblament energètic, diferenciació muscular i genètica mitocondrial Peroxisomes: biogènesi, importació i funcions metabòliques Senyalització cel·lular 5 Principis generals, receptors intracel·lulars i GPCRs Modalitats de comunicació intercel·lular Principis generals de transducció i velocitat de resposta Receptors intracel·lulars: la via de l'òxid nítric i receptors nuclears Receptors de superfície: estructura i cicle dels GPCR La via de l'adenilat ciclasa i alteracions toxíniques La via dels fosfolípids d'inositol: PLC-β, IP3, DAG i Ca² Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 1 6 Receptors tirosina-cinasa, via Ras/MAPK i terminació Receptors amb activitat enzimàtica i dominis d'interacció La cascada de les MAP cinases (Ras/MAPK) Ras com a oncogen i integració de senyals cel·lulars Mecanismes d'acabament i atenuació del senyal 7 El cicle cel·lular — Fases, complexos ciclina-Cdk i punts de control Fases del cicle cel·lular i variabilitat temporal El motor molecular: complexos Cdk-ciclina i la seva regulació Punt de control G1: cascada mitogènica i la via Rb-E2F Resposta a lesions al genoma: la xarxa ATM/ATR, p53 i p21 Punts de control G2/M i del fus mitòtic (Metafase) 8 Mitosi i citocinesi — Fases, dinàmica del fus mitòtic i mecanismes comparats Profase: dinamisme de microtúbuls i segregació centrosòmica Prometafase: obertura de l'embolcall i captura cinetocòrica Metafase: equilibri de forces i flux dipolar Anafase: dissociació de cromàtides i separació polar Telofase: reorganització del compartiment nuclear Citocinesi: segmentació animal versus partició vegetal Mecanismes mitòtics comparats entre diversos organismes 9 Meiosi i gametogènesi — Recombinació gènica, segregació i aneuploïdies Significat biològic i comparació amb la mitosi Les subetapes de la profase I Aparellament dels cromosomes sexuals i dinàmica de quiasmes Gametogènesi comparada: espermatogènesi i ovogènesi Regulació molecular de la cohesió cromosòmica: Shugoshina i Rec8 Aneuploïdies en humans i síndromes clíniques 10 Resum per repassar Nucli cel·lular i transport Matriu nuclear, nuclèol i cromatina Citosol, plegament i degradació proteica Mitocondris i peroxisomes Senyalització cel·lular Cicle cel·lular, mitosi i meiosi Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important.

Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 2 1 Estructura, embolcall nuclear i transport nucleocitoplasmàtic EN ACABAR SABRÀS Distingir els components de l'embolcall nuclear i la regulació de la làmina durant la divisió mitòtica Analitzar l'estructura octogonal del complex del porus nuclear i les seves limitacions dimensionals Descriure el funcionament del gradient direccional Ran-GTP / Ran-GDP mantingut per Ran-GEF i Ran-GAP Diferenciar els mecanismes d'importació (NLS) i exportació (NES) de macromolècules a través del porus PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Com sap una proteïna acabada de traduir al citosol que ha d'entrar al nucli i com s'assegura que no es quedi encallada al porus?

El nucli cel·lular és el compartiment característic de les cèl·lules eucariotes. Conté la major part del material genètic i centralitza els processos de replicació del DNA i transcripció dels diferents tipus d'RNA (com l'mRNA o el rRNA). Acostuma a ocupar el 10 % del volum cel·lular total i presenta un diàmetre mitjà de 5 µm. El nucli cel·lular 1 Estructura, embolcall nuclear i transport nucleocitoplasmàtic 2 Matriu nuclear, nuclèol i compactació de la cromatina Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 3 ESQUEMA Estructura i transport del nucli cel·lular Gairebé totes les cèl·lules tenen un únic nucli en posició central i de morfologia esfèrica.

Malgrat això, existeixen cèl·lules sense nucli (com els eritròcits madurs) i cèl·lules multinucleades (com els osteoclasts). La forma també pot variar i mostrar estructures allargades o multilobulades segons la funció del teixit. Arquitectura de l'embolcall nuclear L'embolcall nuclear és una estructura membranosa doble que aïlla el contingut nuclear del citosol. Està format per dues bicapes lipídiques concèntriques que delimiten un espai perinuclear d'entre 20 i 40 nm de gruix. La membrana nuclear externa presenta continuïtat física amb el reticle endoplasmàtic, igual que l'espai perinuclear, que és continu amb la llum d'aquest orgànul.

La cara interna de l'embolcall conté la làmina nuclear, una xarxa proteica d'uns 10 a 20 nm de gruix formada per filaments intermedis de tipus V (les lamines a, b i c).

Aquesta estructura desenvolupa dues tasques bàsiques: ofereix suport mecànic per preservar la integritat del nucli i actua com a punt d'ancoratge per a la cromatina (vegeu «El nucli cel·lular — Matriu nuclear, nuclèol i compactació de la Nucli cel·lular Compartiment del genoma eucariota Embolcall nuclear Doble membrana i làmina Membranes nuclears Externa, interna i espai perinuclear Làmina nuclear Filaments intermedis tipus V Complex del porus Canal octogonal amb nucleoporines Mecanismes de transport Passiu i actiu regulat Gradient de Ran Ran-GTP al nucli i Ran-GDP al citosol Importació (NLS) Receptors importina alfa i beta Exportació (NES) Receptor exportina 1 i càrrega Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 4 cromatina»).

En els vertebrats, la làmina b forma homodímers que s'ancoren directament als lípids de la membrana, mentre que les lamines a i c formen heterodímers i tetràmers que s'associen entre ells per constituir els filaments. PER RECORDAR-HO Durant la profase mitòtica, una cinasa fosforila les lamines per desmuntar la xarxa en dímers lliures. Aquest canvi provoca la desintegració de l'embolcall nuclear. Al final de la mitosi, una fosfatasa hidrolitza aquests fosfats i permet que els dímers es tornin a acoblar per reconstruir l'embolcall. COMPROVA-HO 2 Quin mecanisme molecular directe causa la desorganització de la làmina nuclear a l'inici de la mitosi?

El complex del porus nuclear (NPC) L'intercanvi de molècules entre el nucli i el citoplasma es produeix a través dels complexos del porus nuclear (NPC). Aquests grans complexos macromoleculars travessen ambdues membranes. Una cèl·lula de mamífer típica en conté entre 3.000 i 4.000 NPC per nucli. Cadascun d'ells està construït per unes trenta proteïnes anomenades nucleoporines, organitzades amb una simetria octogonal molt conservada. Element estructural Descripció i localització funcional Anell citoplasmàtic Corona proteica orientada cap al citosol amb fibres citoplasmàtiques associades. Paret del porus i anells radials Subunitats anulars amb funció estructural que donen forma al conducte.

Subunitats luminals Proteïnes transmembrana que fixen el complex a la bicapa lipídica de l'embolcall. Anell intern Armadura central que sosté el marc del canal del transport. Fibril·les del porus Filaments estesos a la cara citosòlica i a la nuclear que interaccionen amb transportadors. Cistella nuclear (nuclear basket) Complex fibril·lar suspès a la cara nucleoplàsmica unit a l'anell nuclear. Mentre que el complex del porus presenta un diàmetre exterior global d'uns 100 nm, el seu canal funcional útil té unes dimensions molt més restringides: 9 nm de diàmetre i 15 nm de recorregut. Aquest límit físic defineix quin tipus de transport pot experimentar cada molècula.

Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 5 ERROR FREQÜENT Confondre el diàmetre extern del porus amb el diàmetre útil de transport. Tot i que l'estructura completa del NPC ocupa 100 nm a la membrana, les partícules que creuen sense transportador actiu han de passar pel canal funcional de 9 nm. COMPROVA-HO 3 Quina diferència dimensional hi ha entre l'estructura física completa del NPC i el seu canal funcional? Mecanismes de transport nucleocitoplasmàtic El pas a través dels porus pot produir-se per dues modalitats: Difusió passiva: petites molècules solubles, ions i petits pèptids creuen el canal de 9 nm de forma lliure i sense consumir energia.

Transport actiu regulat: les macromolècules més grans necessiten senyals específics a la seva estructura i proteïnes transportadores (carioferines) amb consum energètic associat a GTP. La direccionalitat del transport depèn directament de la GTPasa Ran (RAs-related Nuclear protein). Aquesta proteïna petita commuta entre dos estats: l'estat unit a GDP (Ran-GDP) i l'estat actiu unit a GTP (Ran-GTP). La seva localització i activitat estan estrictament compartimentades: Factor regulador Localització Activitat i funció Ran-GEF Intranuclear (ancorada a la cromatina) Promou l'intercanvi de GDP per GTP; genera una alta concentració de Ran-GTP al nucli.

Ran-GAP Citosòlica (associada al NPC extern) Estimula l'activitat GTPasa intrínseca de Ran; converteix Ran-GTP en Ran-GDP al citosol. Aquesta distribució espacial genera un marcat gradient de Ran-GTP alt al nucli i Ran-GDP alt al citosol. El reciclatge de Ran-GDP cap a l'interior nuclear es duu a terme gràcies al factor de transport proteic NTF2, que l'allibera al nucli després d'un canvi conformacional i després retorna al citosol. Importació de proteïnes cap al nucli Les proteïnes destinades al nucli contenen un senyal de localització nuclear (NLS).

Aquesta seqüència peptídica pot ser bàsica o hidrofòbica, així com simple o bipartida, i ha d'estar situada de manera accessible a la superfície molecular. DEFINICIÓ El senyal de localització nuclear (NLS) és un motiu d'aminoàcids que identifica les proteïnes destinades al compartiment nuclear. A diferència d'altres pèptids senyal cel·lulars, el NLS mai s'elimina un cop la proteïna entra al nucli, la qual cosa en permet la reimportació després de cada divisió cel·lular. Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 6 La translocació utilitza com a receptors unes carioferines anomenades importines.

La importina clàssica és un heterodímer format per dues subunitats: Subunitat alfa: reconeix físicament el senyal NLS de la càrrega proteica. Subunitat beta: s'uneix a la subunitat alfa i interacciona amb les repeticions d'aminoàcids fenilalanina i glicina (repeticions FG) de les fibril·les del NPC per obrir pas a través del porus. Les etapes d'aquest procés d'importació transcorren de forma seqüencial: La importació pot regular-se intracel·lularment per diversos mecanismes: emmascarament del NLS per proteïnes inhibidores, fosforilació propera al senyal, ancoratge de la càrrega a la membrana plasmàtica o canvis conformacionals induïts per lligands.

Pel que fa a les proteïnes pròpies de l'embolcall nuclear, la seva inserció és un fenomen cotraduccional al reticle endoplasmàtic. Després es desplacen per difusió lateral cap a la membrana nuclear externa; les que posseeixen NLS i transloquen per difusió lateral queden retingudes a la membrana nuclear interna. COMPROVA-HO 4 Per quina raó les proteïnes nuclears conserven permanentment el seu senyal NLS durant tota la vida cel·lular? Exportació nuclear de proteïnes i complexes ribonucleoproteics El transport de retorn cap al citoplasma requereix un senyal d'exportació nuclear (NES), generalment ric en residus de leucina.

Aquest senyal pot ocupar qualsevol posició a la cadena polipeptídica i és reconegut per carioferines d'exportació, com l'exportina 1. A diferència de la importació, al nucli l'exportina 1 requereix la unió simultània de Ran-GTP per poder formar un complex trimèric estable amb la proteïna que porta el NES. Aquest complex sencer es transloca a través de les fibril·les del NPC fins a arribar a la cara citoplasmàtica. Allà, Ran-GAP indueix la hidròlisi de GTP, cosa que dissocia l'exportina 1, la càrrega i Ran-GDP. Finalment, l'exportina es recicla cap a l'interior nuclear. L'heterodímer d'importina s'uneix a la proteïna que conté el NLS al citosol.

1 El complex format per la càrrega i la importina travessa el canal del NPC mitjançant la interacció amb les fibril·les. 2 Dins del nucli, Ran-GTP s'uneix a la importina i indueix la dissociació de la càrrega, alliberant la proteïna al nucleoplasma. 3 El complex de la importina unit a Ran-GTP s'exporta al citoplasma a favor de gradient. 4 Al citosol, Ran-GAP estimula la hidròlisi de Ran-GTP a Ran-GDP i allibera la importina lliure, que queda disponible per a un nou cicle. 5 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 7 PROCÉS Cicle d'exportació de proteïnes amb senyal NES L'exportació dels àcids ribonucleics (RNA) presenta adaptacions segons el tipus molecular.

Els RNA acabats de sintetitzar s'associen amb proteïnes nuclears per formar complexes ribonucleoproteics que contenen motius NES, seguint la via estàndard d'exportació dependent de Ran. L'mRNA constitueix una excepció destacada. Després de madurar completament al nucli, s'associa a un conjunt de proteïnes que reconeixen el cos del missatger, la caputxa 5' i la cua poli-A. Les proteïnes que no presenten NES són retingudes al nucli. La translocació de l'mRNA es realitza mitjançant un receptor d'exportació nuclear (Nuclear Export Receptor) que interactua directament amb les fibril·les del NPC. Aquest mecanisme és independent del cicle de Ran i no empra carioferines convencionals.

En arribar al citosol, les proteïnes nuclears lliuren el missatger, es dissocien i són substituïdes per factors citosòlics per iniciar la traducció. IDEES CLAU L'embolcall nuclear està constituït per dues bicapes lipídiques amb un espai perinuclear de 20 a 40 nm continu amb el reticle endoplasmàtic. La làmina nuclear és una xarxa de filaments intermedis de tipus V que aporta resistència estructural i es dissocia per fosforilació durant la profase mitòtica. El complex del porus nuclear (NPC) té un diàmetre exterior de 100 nm amb simetria octogonal, però el seu canal funcional fa només 9 nm de diàmetre.

El gradient nucleocitoplasmàtic el mantenen Ran-GEF (activa Ran-GTP al nucli) i Ran-GAP (indueix Ran-GDP al citosol). El senyal de localització nuclear (NLS) mai no s'escindeix de la proteïna, garantint que es pugui reimportar després de cada divisió mitòtica. L'exportació d'mRNA madur és un procés específic que no utilitza carioferines convencionals i és independent del cicle de Ran.

Reconeixement nuclear Exportina 1 s'uneix a la càrrega amb NES i a Ran-GTP 1 Translocació El complex trimèric creua el NPC cap al citosol 2 Hidròlisi citosòlica Ran-GAP catalitza Ran-GTP a Ran-GDP 3 Alliberament de càrrega El complex es dissocia i descarrega la proteïna al citoplasma 4 Reciclatge d'exportina L'exportina lliure retorna al nucli pel porus 5 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 8 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 5. Com influeix la localització de Ran-GEF i Ran-GAP en la direccionalitat del transport nucleocitoplasmàtic? 6. Quines funcions tenen respectivament les subunitats alfa i beta de la importina convencional? 7.

En què es diferencia l'exportació de l'mRNA madur de l'exportació clàssica de proteïnes amb senyal NES? EL NUCLI CEL·LULAR 2 Matriu nuclear, nuclèol i compactació de la cromatina EN ACABAR SABRÀS Distingir els components ultraestructurals del nuclèol i les etapes de la biogènesi ribosòmica. Descriure jeràrquicament els nivells de compactació del DNA des del nucleosoma fins al cromosoma metafàsic. Diferenciar les característiques estructurals i el destí de l'heterocromatina constitutiva i facultativa. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 8 Com s'aconsegueix encabir una cadena de DNA de dos metres de llargada a l'interior d'un nucli cel·lular microscòpic sense que s'emboliqui?

Matriu nuclear i organització interna L'interior del nucli cel·lular conté una xarxa tridimensional coneguda com a matriu nuclear. Es tracta d'un entramat proteic fibril·lar insoluble les proteïnes integrants del qual romanen sense identificar en gran part. La matriu desenvolupa funcions estructurals primordials: manté l'arquitectura nuclear, ancora els complexos enzimàtics de replicació i transcripció, i delimita els anomenats dominis intercromosòmics, espais lliures situats entre els diferents territoris cromosòmics. La cromatina s'ancora a aquest bastida mitjançant seqüències específiques conegudes com a regions MAR (matrix associated regions, també anomenades SAR).

Aquestes regions actuen com a punts de fixació que aïllen dominis topològics independents, regulant la conformació espacial del genoma i evitant interferències funcionals entre dominis adjacents. El nuclèol: ultraestructura i cicle funcional El nuclèol és el domini subnuclear més prominent, desproveït de membrana lipídica. Està format per DNA codificant per a rRNA, molècules d'rRNA en processament i proteïnes associades. La seva funció central comprèn la transcripció del pre-rRNA, la seva maduració química i l'assemblatge de les Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 9 subunitats ribosòmiques.

Els gens que codifiquen per als rRNA es troben distribuïts en múltiples còpies en tàndem situades en determinats cromosomes; aquests clústers genètics reben el nom de regions NOR (nucleolus organizer regions). A causa de la massiva demanda de ribosomes, aquests clústers presenten una freqüència de transcripció extraordinàriament elevada. El nombre i la mida dels nuclèols no són fixes: depenen estrictament de la taxa de síntesi de proteïnes i de l'estat fisiològic de la cèl·lula. L'estructura nucleolar varia al llarg del cicle cel·lular. Durant la interfase roman visible i plenament funcional.

En iniciar-se la mitosi té lloc la dissociació nucleolar, i en arribar a la metafase la transcripció s'atura del tot, de manera que les regions NOR deixen d'observar-se actives. Posteriorment, a la telofase, els elements nucleolars es tornen a agrupar al voltant de les regions NOR i, després de la citocinesi, el nuclèol queda reconstituït completament. DEFINICIÓ El nuclèol és el compartiment nuclear no membranós organitzat al voltant de les regions NOR on té lloc la síntesi, processament i assemblatge dels components de les subunitats ribosòmiques.

Ultraestructuralment, el nuclèol organitza la seva activitat en tres compartiments clarament diferenciats al microscopi: Centre fibril·lar (FC): conté el DNA dels gens ribosòmics (les regions NOR) i la maquinària enzimàtica basal, inclosa la RNA polimerasa I. Component fibril·lar dens (DFC): envolta els centres fibril·lars i conté els transcrits primaris d'rRNA en curs de síntesi i processament primerenc. Component granular (GC): localitzat a la perifèria, conté les partícules ribonucleoproteiques (RNP) en etapes avançades d'acoblament abans de ser exportades. COMPROVA-HO 9 Què passa amb l'estructura del nuclèol durant la metafase mitòtica i per quina raó mecànica?

Biogènesi i maduració dels ribosomes La transcripció dels gens d'rRNA adopta al microscopi electrònic una estructura en «arbre de Nadal». L'eix central correspon a la molècula de DNA recorreguda per múltiples molècules d'RNA polimerasa I, mentre que les ramificacions perpendiculars són els transcrits d'rRNA en creixement units a ribonucleoproteïnes (RNP), que s'allarguen en direcció respecte a la cadena motlle. L'enzim RNA polimerasa I sintetitza un transcript precursor comú: el pre-rRNA 45S. Aquesta molècula experimenta un complex processament químic i talls nucleolítics que n'eliminen les regions no codificants per generar els rRNA madurs.

A continuació té lloc l'assemblatge de les dues subunitats: Subunitat menor (40S): formada per la incorporació de l'rRNA madur 18S juntament amb proteïnes ribosòmiques específiques (RNP). Subunitat major (60S): integrada pels rRNA 28S, 5,8S i 5S, units a les seves proteïnes ribosòmiques. Cal notar que l'rRNA 5S no es sintetitza al nuclèol (és transcrit fora per la RNA polimerasa III) i s'importa per unir-se a la subunitat. 3 5 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 10 La conjunció d'ambdues subunitats encara immadures forma el complex pre-ribosòmic 80S.

Aquests complexos s'han d'exportar al citosol a través dels porus nuclears (vegeu «El nucli cel·lular — Estructura, embolcall nuclear i transport nucleocitoplasmàtic»). Com que els rRNA no tenen senyal d'exportació nuclear (NES), el transport depèn íntegrament dels senyals NES presents a les proteïnes associades a les partícules RNP. Al citosol culmina la maduració funcional dels ribosomes. PROCÉS Biogènesi de les subunitats ribosòmiques ERROR FREQÜENT Afirmar que tots els rRNA es transcriuen al nuclèol per la RNA polimerasa I.

L'espècie 5S rRNA que s'incorpora a la subunitat 60S no es sintetitza al nuclèol, sinó que es transcriu al nucleoplasma per la RNA polimerasa III i després viatja al nuclèol per a l'assemblatge. Estructura química del DNA i cromatina La cromatina és el complex macromolecular constituït per àcid desoxiribonucleic (DNA) i proteïnes associades. La molècula de DNA està formada per dues cadenes de nucleòtids antiparal·leles unides mitjançant enllaços fosfodièster, formant una doble hèlix dextrogira. A l'interior de l'hèlix s'estabilitzen els aparellaments entre bases nitrogenades mitjançant enllaços d'hidrogen.

El sucre (desoxiribosa) i els grups fosfat se situen a la part exterior; atès que els grups fosfat estan ionitzats, la molècula té una forta càrrega neta negativa a la superfície. Les proteïnes associades al DNA es divideixen en dues grans categories: Histones: proteïnes de mida petita, altament conservades al llarg de l'evolució i molt riques en aminoàcids bàsics (lisina i arginina). Aquesta composició els confereix una forta càrrega positiva que els permet establir interaccions electroestàtiques intenses amb el DNA, amb independència de la seva seqüència de bases.

Es classifiquen en histones nucleosòmiques (H2A, H2B, H3 i H4), Transcripció 45S La RNA polimerasa I transcriu les regions NOR 1 Tall i processament Pèrdua de zones no codificants del pre-rRNA 2 Assemblatge RNP Associació de proteïnes ribosòmiques i rRNA 5S 3 Pre-ribosoma 80S Unió provisional de subunitats 40S i 60S 4 Exportació al citosol Sortida nuclear dependent dels senyals NES proteics 5 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 11 responsables de l'estructura del nucleosoma, i la histona H1, que intervé en el següent grau de compactació.

Proteïnes no històniques: grup molt heterogeni de proteïnes que s'uneixen al DNA de forma transitòria i sovint reconeixent seqüències específiques. Participen en l'empaquetament estructural de bucles, així com en la replicació, la reparació de trencaments de la cadena i la regulació de la transcripció gènica. COMPROVA-HO 10 Per quina raó química les histones s'uneixen de manera inespecífica a qualsevol regió del DNA? Nivells d'empaquetament de la cromatina La llarga molècula de DNA nuclear experimenta successius ordres de plegament i compactació per encabir-se a l'espai nuclear durant la interfase i permetre la posterior segregació durant la divisió cel·lular.

Esquema dels nivells d'empaquetament de la cromatina durant la interfase. Fibra d'11 nm (model del collaret de perles): constituïda per la successió de nucleosomes. Cada nucleosoma comprèn la partícula central o octàmer d'histones (dues còpies de cadascuna de les histones H2A, H2B, H3 i H4) al voltant de la qual el DNA s'enrotlla, separat del següent per un segment de DNA d'unió o DNA linker. 1 Fibra de 30 nm (solenoide): es forma gràcies a la intervenció de la histona H1, la qual s'ubica a la regió globular d'entrada i sortida del DNA al nucleosoma.

Això indueix l'enrotllament helicoïdal de la fibra d'11 nm sobre si mateixa com una molla, contenint aproximadament 6 nucleosomes per volta de solenoide. 2 Fibra de 300 nm (dominis en bucle): la fibra de 30 nm es replega en nanses o bucles units a la bastida de la matriu nuclear a través de regions MAR/SAR. Aquests dominis organitzen conjunts de gens que s'han de transcriure coordinadament i faciliten l'accés físic per a la replicació. 3 Fibra de 700 nm i cromosoma metafàsic (1400 nm): durant la mitosi els bucles es condensen encara més fins a assolir l'estat màxim d'empaquetament en les cromàtides individuals (700 nm) i el cromosoma metafàsic complet.

4 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 12 La transició entre estats d'empaquetament no és estàtica sinó dinàmica. El dinamisme de l'empaquetament està regulat per dos mecanismes fonamentals: els complexos de remodelació de la cromatina dependents d'ATP, que llisquen o alteren les interaccions proteïna-DNA per desempaquetar o tornar a empaquetar regions senceres; i les modificacions post-traduccionals de les histones (vegeu «Citosol i proteòstasi — Plegament, modificacions i degradació de proteïnes»), tals com l'acetilació o la metilació de les seves cues aminoterminals. COMPROVA-HO 11 Quin paper mecànic juga la histona H1 en el pas de la fibra d'11 nm a la de 30 nm?

Eucromatina i heterocromatina: constitutiva i facultativa Al nucli interfàsic la cromatina no presenta un grau homogeni de condensació: Eucromatina: fracció descondensada de la cromatina, accessible als factors de transcripció. Representa les zones riques en gens codificants transcripcionalment actius, amb seqüències no repetides. Heterocromatina: estat altament condensat i dens durant la interfase. Està formada per regions transcripcionalment silenciades, riques en seqüències altament repetitives (com el DNA satèl·lit), amb un marcat paper estructural.

L'heterocromatina se subdivideix funcionalment en dos tipus: Tipus d'heterocromatina Estat transcripcional Localització i característiques Paper funcional i exemples Constitutiva Sempre condensada i silent a tots els tipus cel·lulars i etapes. DNA satèl·lit altament repetitiu; centròmers i telòmers. Estructural: el centròmer coordina la segregació dels cromosomes amb els microtúbuls; els telòmers eviten fusions i protegeixen els extrems de la pèrdua de material per la replicació. Facultativa Variable: pot passar de condensada a descondensada segons el teixit o fase cel·lular. Regions que contenen gens que no s'expressen en aquella estirp cel·lular concreta.

Regulació del desenvolupament cel·lular. Exemple clàssic: el cromosoma X inactiu (corpuscle de Barr) a les femelles de mamífers, silenciat a l'atzar durant el desenvolupament embrionari per generar un patró en mosaic. Un cromosoma funcional consta com a mínim d'un centròmer, telòmers a ambdós extrems i almenys una cromàtide. Mentre que el cromosoma interfàsic es manté estés ocupant un territori concret al si del nucli (variable segons el tipus cel·lular i fase del cicle), el cromosoma mitòtic assoleix la seva condensació màxima.

Tècniques citogenètiques com el bandeig G identifiquen regions de DNA riques Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 13 en guanina i citosina mitjançant un patró de bandes específic per a cada parella cromosòmica, mentre que la tècnica d'hibridació multifluoròfora (M-FISH) permet diferenciar i analitzar totes les parelles d'homòlegs. IDEES CLAU La matriu nuclear proporciona suport estructural i ancoratge a la maquinària de replicació/transcripció mitjançant les regions MAR. El nuclèol s'organitza a partir de les regions NOR i és la seu de la transcripció del pre-rRNA 45S i l'acoblament ribosòmic.

L'empaquetament del DNA progressa des de la fibra d'11 nm (octàmer d'histones) fins a la fibra de 30 nm mitjançant la histona H1. Els complexos dependents d'ATP i les modificacions de les histones aporten dinamisme als bucles de 300 nm. L'heterocromatina constitutiva roman sempre condensada (centròmers i telòmers), mentre que la facultativa varia segons la cèl·lula (inactivació del cromosoma X). COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 12. Quins tres compartiments ultraestructurals es distingeixen al nuclèol i quina funció tenen? 13. Quin component ribosomal present a la subunitat major 60S no és sintetitzat al nuclèol? 14.

En què es diferencia l'heterocromatina constitutiva de la facultativa pel que fa a la seva reversibilitat? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 15. Quin és el diàmetre del canal funcional del complex del porus nuclear per al transport? 16. A quin lloc de la cèl·lula es localitza Ran-GEF i quina funció directa realitza? 17. Què succeeix amb el senyal NLS després que la proteïna entra amb èxit al nucleoplasma?

100 nm de diàmetre a) 15 nm de diàmetre b) 9 nm de diàmetre c) 40 nm de diàmetre d) Al citosol hidrolitzant GTP a GDP a) Al nucli canviant GDP per GTP b) Al porus nuclear degradant importines c) A l'espai perinuclear fosforilant lamines d) Es manté a la proteïna sense eliminar-se a) Es transfereix a la subunitat beta b) Es degrada al proteasoma del nucleoplasma c) S'escindeix per una peptidasa nuclear d) Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 14 18. Quin tipus de transport nuclear és independent de les carioferines i del cicle de la GTPasa Ran? 19. Quin és el transcript precursor transcrit per la RNA polimerasa I al nuclèol? 20.

Quina proteïna permet l'enrotllament de la fibra d'11 nm en la fibra de 30 nm? 21. A quina regió nuclear s'ancoren els bucles de cromatina de 300 nm? 22. Com s'anomena el cromosoma X inactivat en les cèl·lules somàtiques femenines?

3 Citosol i proteòstasi — Plegament, modificacions i degradació de proteïnes EN ACABAR SABRÀS Distingir els mecanismes moleculars d'acció dependents d'ATP d'Hsp70 i el complex Hsp60 Identificar els senyals proteolítics cel·lulars com les seqüències PEST i la regla N-terminal Descriure la cascada d'ubiqüitinació catalitzada pels enzims E1, E2 i E3 Explicar l'organització estructural del proteasoma 26S i les malalties causades per agregació proteica PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 23 Com aconsegueix una cèl·lula que centenars de proteïnes repletes de regions insolubles no s'enganxin entre si just en ser sintetitzades?

El citosol constitueix el medi aquós intern de la cèl·lula on es duen a terme vies centrals del metabolisme intermediari, la síntesi proteica i la regulació del destí dels polipèptids.

Lluny de ser una dissolució passiva, conté una xarxa altament organitzada de proteïnes funcionals, maquinària Importació de proteïnes amb NLS bàsic a) Exportació de l'mRNA cel·lular madur b) Entrada del factor de transport NTF2 c) Exportació de proteïnes amb senyal NES d) pre-rRNA 18S a) pre-rRNA 5S b) pre-rRNA 28S c) pre-rRNA 45S d) Histona H2A a) Histona H4 b) Histona H1 c) Histona H3 d) A la matriu nuclear a) A la làmina citosòlica b) Al component granular c) Als centròmers lliures d) Banda G a) Centròmer actiu b) Cinetocor c) Corpuscle de Barr d) Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 15 catalítica, components del citoesquelet, inclusions com grànuls de glicogen o gotes lipídiques, a més d'ions, sucres i nucleòtids.

ESQUEMA Cicle cel·lular de la proteïna al citosol Nivells estructurals i conformació nativa Quan un ARN missatger madur es tradueix al citosol, la cadena polipeptídica creixent ha d'adquirir una disposició tridimensional precisa. La conformació nativa és l'estat tridimensional de mínima energia lliure en què la molècula assoleix la seva estabilitat i capacitat operativa; sol concentrar els residus hidrofòbics cap a l'interior i exposar els elements polars a l'exterior hidrofílic. Nivell estructural Organització molecular Forces o enllaços implicats Estructura primària Seqüència lineal d'aminoàcids unida covalentment. Enllaços peptídics.

Estructura secundària Plegaments locals en hèlix alfa i conformació beta. Ponts d'hidrogen entre el grup carboxil i l'amino de l'esquelet. Estructura terciària Plegament tridimensional complet d'una cadena única. Interaccions hidrofòbiques, enllaços iònics i ponts d'hidrogen. Estructura quaternària Associació multimèrica de dues o més cadenes polipeptídiques. Interaccions no covalents entre subunitats proteiques.

Traducció i Plegament Ribosoma i adquisició d'estructura nativa Xaperones Hsp70 i Hsp40 Interacció cotraduccional amb segments hidrofòbics Xaperonines Hsp60 i Hsp10 Replegament aïllat a l'interior d'un barril Modificacions post- traduccionals Fosforilació, glicosilació, acilació i altres Via de degradació 26S Eliminació selectiva al proteasoma citosòlic Marcatge amb ubiqüitina Cascada d'activació i unió per E1, E2 i E3 Digestió proteasòmica Reconeixement a 19S i proteòlisi a 20S Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 16 Durant la traducció, les regions hidrofòbiques exposades d'un polipèptid immadur corren el perill d'associar-se indegudament amb altres cadenes i precipitar en forma d'agregats no funcionals.

Per prevenir aquest fenomen i facilitar el plegament correcte, la cèl·lula disposa d'un conjunt de proteïnes col·laboradores denominades xaperones. DEFINICIÓ Una xaperona és qualsevol proteïna que interacciona de manera transitòria amb un polipèptid no natiu, l'estabilitza i l'ajuda a assolir la seva conformació funcional final, sense formar part de l'estructura definitiva d'aquesta diana. COMPROVA-HO 24 Quina força termodinàmica impulsa principalment la conformació nativa soluble al citosol?

Xaperones moleculars i xaperonines: Hsp70 i Hsp60 El manteniment de la integritat del proteoma depèn de dues famílies de maquinària plegadora que requereixen consum energètic: les xaperones com el sistema Hsp70 i els grans complexos macromoleculars anomenats xaperonines o Hsp60. Cicle de les xaperones moleculars Hsp70 Presents tant en procariotes com en eucariotes i els seus compartiments, les proteïnes Hsp70 col·laboren de forma coordinada amb cocaperones com Hsp40.

Aquest complex actua de manera cotraduccionil sobre polipèptids acabats de sintetitzar o desnaturalitzats: Mecanisme compartimentat de les xaperonines Hsp60 A diferència de l'acció lineal d'Hsp70, les xaperonines Hsp60 configuren estructures cilíndriques de grans dimensions amb una cavitat interior protegida que actua com a cambra de replegament aïllada. Actuen principalment sobre proteïnes que ja han estat traduïdes gairebé íntegrament però han adquirit un plegament anòmal. Una regió de la vora del barril d'Hsp60 reconeix les zones hidrofòbiques exteriors de la proteïna mal plegada i en facilita l'entrada a la cavitat central.

En associar-se amb un cooperador que actua de tap (la subunitat Hsp10), la cambra interior s'expandeix gràcies a la hidròlisi d'ATP. En aquest entorn tancat i hidrofílic, la molècula s'allibera de les parets, es desplega i troba un espai lliure d'interferències per adoptar la seva conformació nativa abans de ser expulsada a l'exterior amb un nou consum d'ATP. Reconeixement de motius hidrofòbics: Hsp70 identifica segments curts d'uns 7 aminoàcids hidrofòbics en la cadena emergent a mesura que surt del ribosoma.

1 Unió dependent d'ATP i hidròlisi: La proteïna s'associa al substrat en presència d'ATP; la hidròlisi de l'ATP a ADP estabilitza la unió amb el polipèptid i promou el seu plegament local. 2 Alliberament del substrat: Un nou intercanvi per ATP provoca un canvi conformacional que deslliga la xaperona de la cadena protegida. 3 Cicles iteratius: Aquestes etapes d'unió, hidròlisi d'ATP i desunió es repeteixen tantes vegades com calgui fins que la regió hidrofòbica queda enterrada en el nucli de la proteïna.

4 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 17 PROCÉS Ruta de replegament en el complex Hsp60 COMPROVA-HO 25 En quin aspecte operatiu es distingeix fonamentalment el mecanisme d'acció d'Hsp60 respecte al d'Hsp70? Modificacions post-traduccionals de les proteïnes Un cop el polipèptid ha adquirit la seva forma nativa, la seva activitat, localització i interaccions poden ser refinades mitjançant modificacions post-traduccionals. Aquestes alteracions químiques augmenten enormement la diversitat funcional del proteoma. Fosforilació: Addició d'un grup fosfat modulada per cinases i eliminada per fosfatasas, que sol tenir lloc en residus de serina (Ser), treonina (Thr) i tirosina (Tyr).

Modificació transitòria clau en la transmissió de senyals. Metilació: Incorporació de grups metil a càrrec de metiltransferases (revertida per desmetilases), predominantment en residus de lisina i arginina. Acetilació i acilació: Unió de cadenes lipídiques d'àcids grassos mitjançant l'enzim CoA per ancorar proteïnes a membranes (acilació) o addició de grups acetil en determinats residus aminoàcids. Hidroxilació: Incorporació de grups hidroxil en cadenes laterals específiques. Glicosilació: Unió covalent de cadenes de glúcids. A diferència de moltes modificacions reguladores reversibles, té un caràcter eminentment permanent i condiciona l'estabilitat i funció molecular.

Ubiqüitinació: Addició d'ubiqüitina que no només determina el marcatge per a la destrucció catabòlica, sinó que també intervé en circuits de transmissió de senyals i control de processos com l'apoptosi.

Captura del substrat Hsp60 reconeix dominis hidrofòbics de la proteïna mal plegada 1 Entrada al cilindre La molècula ingressa a la cavitat central del barril 2 Tancament amb Hsp10 La proteïna Hsp10 s'associa com a tap a la part superior 3 Expansió i plegament Hidròlisi d'ATP, alliberament de parets i adopció de forma nativa 4 Alliberament final Obertura de la cambra i sortida de la proteïna plegada 5 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 18 Vies de degradació i senyals proteolítics La cèl·lula necessita destruir proteïnes de manera selectiva per diversos motius: eliminar cadenes anòmales o mal plegades, retirar molècules danyades per oxidació o desnaturalització, degradar subunitats no acoblades que han quedat soltes en excés i regular la vida mitjana de factors clau.

Per complir aquesta comesa existeixen dues vies essencials: els lisosomes i la via del proteasoma citosòlic. El proteasoma és la via principal del citosol i s'encarrega d'eliminar de manera molt controlada proteïnes cel·lulars de vida mitjana curta, sovint amb temps de recanvi situats entre els 10 i els 120 minuts. Perquè una proteïna sigui identificada com a diana de destrucció, conté elements estructurals interns que funcionen com a senyals proteolítics: Seqüències PEST: Trams rics en prolina (Pro, P), àcid glutàmic (Glu, E), serina (Ser, S) i treonina (Thr, T), així com altres dominis rics en aminoàcids hidrofòbics, que assenyalen un recanvi proteic accelerat.

Regla de l'extrem N-terminal: La identitat del residu d'aminoàcid situat a l'extrem N-terminal del polipèptid actua com a indicador d'estabilitat; es classifiquen en residus estabilitzadors (que confereixen una vida mitjana prolongada) o desestabilitzadors (que condemnen la molècula a una destrucció ràpida). ERROR FREQÜENT És un error habitual considerar que tots els residus d'una seqüència PEST o de l'extrem N- terminal promouen la longevitat proteica. La presència de motius PEST és un senyal inequívoc de degradació accelerada, i certs residus de l'extrem N-terminal són actius inductors de desestabilització que redueixen dràsticament la vida de la proteïna a minuts.

La cascada d'ubiqüitinació i el proteasoma 26S El marcatge selectiu per a la digestió proteasòmica requereix la unió d'una petita cadena polipeptídica: la ubiqüitina, un polipèptid altament conservat de 76 aminoàcids present en tots els organismes eucariotes. L'acoblament de cadenes d'ubiqüitina requereix despesa energètica en forma d'ATP i transcorre mitjançant un complex sistema de tres enzims: La incorporació successiva de diverses unitats d'ubiqüitina forma una cua de poliubiqüitina que és directament reconeguda pel proteasoma 26S.

Aquest gran complex proteolític es divideix estructuralment en dues parts fonamentals: Subunitat reguladora 19S: N'hi ha dues unitats, cadascuna disposada a un extrem del barril. Conté els llocs de reconeixement de la cua d'ubiqüitina, disposa d'ubiqüitina hidrolases que Enzim E1 (activador): Recluta i activa la ubiqüitina mitjançant un enllaç ric en energia dependent d'ATP i la transfereix a l'enzim E2. 1 Enzim E2 (conjugador): Actua com a intermediari d'unió transferint la ubiqüitina cap a la proteïna diana.

2 Enzim E3 (lligasa): Reconeix específicament la proteïna marcada a través dels seus senyals de degradació i, en associació amb l'E2, catalitza la transferència covalent de la ubiqüitina sobre la diana. 3 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 19 alliberen les ubiqüitines per al seu reciclatge cel·lular amb consum energètic, i utilitza ATPases per desplegar la proteïna condemnada i translocar-la cap a l'interior. Nucli catalític 20S: Cambra cilíndrica central buida que alberga múltiples llocs actius amb activitat peptidasa orientats cap a la cara interna; trosseja la cadena polipeptídica introduïda fins a convertir-la en petits pèptids inerts.

COMPROVA-HO 26 Quina funció específica exerceix l'enzim E3 dins de la cascada d'ubiqüitinació? Patologies associades al mal plegament proteic Quan la taxa de proteïnes anòmales supera la capacitat de replegament de les xaperones o col·lapsa el sistema ubiqüitina-proteasoma, les cadenes no plegades interaccionen entre si mitjançant les seves superfícies hidrofòbiques desprotegides. Aquest fenomen genera agregats proteics insolubles que s'acumulen al citoplasma o a l'espai cel·lular i resulten extremadament tòxics per al teixit.

Aquest defecte en la proteòstasi és la base patològica de múltiples trastorns neurodegeneratius greus: Malaltia d'Alzheimer: Caracteritzada per l'acumulació i agregació de proteïnes que desencadenen toxicitat neuronal. Corea de Huntington: Trastorn produït per l'agregació anòmala de la proteïna huntingtina mutada amb expansions d'aminoàcids. Malalties priòniques (causades per PrP): Encefalopaties espongiformes en què una forma patològica de la proteïna priònica indueix el canvi conformacional de les proteïnes normals, incloent l'scrapie en ovelles, l'encefalopatia espongiforme bovina i la síndrome de Creutzfeldt-Jakob en éssers humans.

IDEES CLAU La conformació nativa d'una proteïna representa el seu estat de mínima energia lliure, empaquetant els residus hidrofòbics a l'interior i exposant els polars a l'exterior. Les xaperones Hsp70 actuen cotraduccionilment unint-se a fragments curts hidrofòbics amb cicles d'hidròlisi d'ATP, mentre que Hsp60 ofereix una cambra aïllada amb una tapa (Hsp10) per al replegament proteic complet. Els senyals proteolítics intracel·lulars, tals com les seqüències PEST i la identitat de l'aminoàcid de l'extrem N-terminal, regulen la vida mitjana de les proteïnes citosòliques.

La cascada d'ubiqüitinació utilitza successivament els enzims E1 (activador), E2 (conjugador) i E3 (reconeixedor d'alta especificitat) amb consum d'ATP. El proteasoma 26S està format per un nucli catalític central 20S i dues subunitats reguladores 19S que reconeixen la cua de poliubiqüitina, despleguen la proteïna i reciclen la ubiqüitina. El fracàs en els sistemes de xaperones i proteasoma condueix a la formació d'agregats insolubles responsables de malalties com l'Alzheimer, la Corea de Huntington o les malalties per prions (Creutzfeldt-Jakob). Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 20 COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 27.

Quina composició d'aminoàcids caracteritza les seqüències PEST i quin és el seu paper? 28. Quantes unitats aminoacídiques conté el polipèptid d'ubiqüitina i com s'organitzen les subunitats del proteasoma 26S per degradar la diana? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 29. Quin paper desenvolupa la molècula Hsp10 en relació amb les xaperonines Hsp60? 30. Quin enzim és el responsable directe de reconèixer la proteïna específica destinada a ser ubiqüitinada? 31. Quina de les modificacions post-traduccionals següents té habitualment un caràcter permanent? 32. Quina d'aquestes malalties és provocada per la desregulació conformacional d'un prió (PrP)?

Sintetitza directament la cadena polipeptídica a) Fa de tapa del barril d'Hsp60 b) Uneix ubiqüitina a la proteïna mal plegada c) Degrada la proteïna en fragments peptídics d) Subunitat catalítica 20S a) Enzim activador E1 b) Enzim de transferència E2 c) Ubiqüitina lligasa E3 d) Acetilació a) Fosforilació b) Metilació c) Glicosilació d) Diabetis sacarina a) Corea de Huntington b) Malaltia d'Alzheimer c) Malaltia de Creutzfeldt-Jakob d) Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 21 4 Mitocondris i peroxisomes — Bioenergètica cel·lular i oxidació de metabòlits EN ACABAR SABRÀS Descriure la compartimentació mitocondrial i el paper de la cardiolipina en l'acoblament quimiosmòtic.

Explicar el mecanisme de bombament de protons i la síntesi d'ATP per l'ATP sintasa. Distingir el desacoblament fisiològic pel teixit adipós marró del desacoblament químic per dinitrofenol. Analitzar la biogènesi peroxisòmica, les peroxines implicades i les seves rutes metabòliques en cèl·lules animals i vegetals. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 33 Per què el transport d'electrons i la síntesi d'ATP s'aturen si la membrana interna del mitocondri es perfora o es torna permeable? Morfologia, dinàmica i arquitectura mitocondrial Els mitocondris són orgànuls cel·lulars essencials encarregats de la producció energètica mitjançant la respiració aeròbica.

Presenten una morfologia molt dinàmica i filamentosa: canvien contínuament de forma i tenen la capacitat de fusionar-se o dividir-se. A l'interior del citoplasma, es desplacen al llarg dels microtúbuls del citoesquelet i s'acumulen a les regions amb una forta demanda metabòlica. En les cèl·lules musculars, per exemple, s'allotgen ordenadament entre els sarcòmers; en els espermatozoides, envolten l'axonema flagel·lar per proporcionar l'energia necessària per al moviment.

L'estructura mitocondrial es defineix per dues membranes que delimiten dos compartiments diferents: Membrana mitocondrial externa (MME): molt permeable a petites molècules gràcies a la presència de porines, que són proteïnes transmembrana en làmina beta plegada. Espai intermembranós: situat entre ambdues membranes, amb una composició i concentració de soluts similar a la del citosol per la lliure difusió a través de les porines. Membrana mitocondrial interna (MMI): altament impermeable i amb una permeabilitat altament selectiva. Conté una gran quantitat de cardiolipina, un fosfolípid doble que impedeix el pas lliure d'ions.

Aquesta membrana conté els transportadors de la cadena respiratòria, proteïnes de transport de soluts i el complex ATP sintasa. Forma plegaments anomenats crestes mitocondrials, que amplien la superfície catalítica i afavoreixen la concentració local de protons. Matriu mitocondrial: espai intern delimitat per la MMI on tenen lloc rutes clau com la descarboxilació del piruvat, la β-oxidació i el cicle de Krebs. A més, allotja el genoma mitocondrial, ARNm, ARNt i ribosomes mitocondrials propis. Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 22 COMPROVA-HO 34 Quina propietat estructural de la cardiolipina resulta indispensable per a la bioenergètica del mitocondri?

Oxidació de substrats metabòlics i fosforilació oxidativa La cèl·lula obté energia catabolitzant glúcids i lípids. Després de la digestió intestinal i l'absorció cel·lular, aquests nutrients es poden emmagatzemar (glicogen als hepatòcits i teixit muscular; triglicèrids en gotes lipídiques al citosol dels adipòcits) o degradar seguint un ordre de consum: primer les reserves pròpies de glicogen, després el glicogen hepàtic i lípids propis, i finalment els lípids del teixit adipós.

La producció d'energia aeròbica comprèn tres fases interconnectades: Aquest gradient electroquímic també s'aprofita mitjançant transport actiu secundari acoblat per introduir piruvat i fosfat inorgànic a la matriu, i per intercanviar ATP per ADP. COMPROVA-HO 35 Quants transportadors reduïts directes produeix l'oxidació d'un sol grup acetil-CoA durant el cicle de Krebs a la matriu?

Desacoblament energètic, diferenciació muscular i genètica mitocondrial El flux d'electrons i la generació d'ATP poden separar-se mitjançant mecanismes de desacoblament, dissipant el gradient electroquímic en forma de calor: Desacobladors artificials: El dinitrofenol permet la reentrada de protons a la matriu sense passar per l'ATP sintasa. Provoca una oxidació accelerada de substrats, transport d'electrons desbocat, pèrdua de pes, febre alta, sudoració i col·lapse metabòlic per manca d'ATP. Oxidació de metabòlits: La glucòlisi citosòlica trenca la glucosa en dos piruvats de manera anaeròbica, rendint 2 ATP nets i NADH.

El piruvat entra a la matriu mitocondrial, on s'oxida i es converteix en acetil-CoA alliberant i NADH. Els àcids grassos activats com a acil-CoA pateixen la β-oxidació a la matriu, retallant-se de dos en dos carbonis per alliberar acetil-CoA. Per cada acetil-CoA oxidat al cicle de Krebs s'obtenen 2 CO_2, 3 NADH, 1 FADH_2 i 1 GTP. 1 CO 2 Cadena respiratòria de transport d'electrons: El NADH i el cedeixen els seus electrons a grans complexos proteics integrals de la membrana interna (com la NADH deshidrogenasa) que es mouen per difusió lateral. Els electrons flueixen espontàniament a favor de potencial redox cap a l'oxigen ( ), que actua com a acceptor final generant .

L'energia lliure alliberada bombeja protons ( ) des de la matriu cap a l'espai intermembranós. 2 FADH 2 O 2 H O 2 H+ Fosforilació oxidativa: L'acumulació de protons genera un gradient electroquímic de protons (amb component químic de pH i elèctric de voltatge). Aquest gradient impulsa la síntesi d'ATP mitjançant l'ATP sintasa. El flux de protons a través de la porció transmembrana fa girar el rotor central; aquest gir mecànic modifica la conformació catalítica del cap a la matriu, unint mitjançant un enllaç fosfodièster per formar ATP.

3 F 0 F 1 ADP + P i Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 23 Desacoblament fisiològic: La termogenina (UCP1) és una proteïna canal present a la membrana interna dels mitocondris del teixit adipós marró. En obrir-se, retorna protons a la matriu, derivant l'energia potencial cap a la termogènesi corporal.

La dotació de mitocondris varia segons el tipus de fibra muscular esquelètica: Tipus de fibra Color i aspecte Densitat mitocondrial Metabolisme principal Tipus de contracció Contracció ràpida Clares Baixa Anaeròbic (fermentació làctica; 15 vegades menys eficient) Intensa, ràpida i poc sostinguda Contracció lenta Fosques Alta Aeròbic (fosforilació oxidativa completa) Moderada, lenta i sostinguda Els mitocondris posseeixen el seu propi genoma: un ADN circular bicatenari sense introns ni seqüències repetitives (sense heterocromatina constitutiva; vegeu «El nucli cel·lular — Matriu nuclear, nuclèol i compactació de la cromatina»), amb entre 5 i 10 còpies per orgànul.

Codifica 37 gens: 2 ARNr, 22 ARNt i 13 polipèptids respiratoris (subunitats de la NADH deshidrogenasa, citocromoxidasa, citocrom b i ATP sintasa). El 95 % de les proteïnes mitocondrials restants són codificades pel nucli i s'importen del citosol. PER RECORDAR-HO L'herència mitocondrial és exclusivament materna: el zigot hereta els mitocondris de l'òvul. Això permet reconstruir genealogies i és una eina clau en genètica forense gràcies a la seva taxa elevada de mutació entre individus sense relació de parentiu i a la gran quantitat de còpies d'ADN per cèl·lula.

ERROR FREQÜENT L'anomenada Eva mitocondrial va viure fa uns 200.000 anys a l'Àfrica oriental i representa l'ancestre comú femení més recent del qual descendeixen totes les mitocòndries actuals. No era l'única dona viva en la seva època ni l'única avantpassada de la humanitat; senzillament, la resta de llinatges mitocondrials contemporanis van quedar truncats en generacions on les mares només van tenir fills barons. COMPROVA-HO 36 Què passa amb el transport d'electrons i la síntesi d'ATP si afegim dinitrofenol a una cèl·lula?

Peroxisomes: biogènesi, importació i funcions metabòliques Els peroxisomes són orgànuls delimitats per una membrana simple presents en tots els eucariotes, amb un volum i nombre molt elevat en hepatòcits, cèl·lules renals i teixits fotosintètics. Es multipliquen per creixement i fissió d'orgànuls preexistents. Els lípids de la seva membrana provenen del reticle Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 24 endoplasmàtic (mitjançant proteïnes transportadores de fosfolípids o vesícules).

L'adquisició de proteïnes és post-traduccional des del citosol i depèn de proteïnes catalitzadores anomenades peroxines: Proteïnes transmembrana: contenen un senyal intern de direccionament reconegut per Pex19, que actua coordinadament amb Pex3 i Pex16 per insertar-les a la membrana. Proteïnes de la matriu soluble: contenen el senyal PTS1 (un tripèptid Ser-Lys-Leu a l'extrem carboxi-terminal reconegut per Pex5) o el senyal PTS2 (a l'extrem amino-terminal, reconegut per Pex7). Les mutacions en els gens PEX provoquen patologies greus.

La síndrome de Zellweger (autosòmica recessiva) impedeix importar enzims solubles, deixant peroxisomes buits d'enzims oxidatius i causant anomalies greus en cervell, fetge i ronyó que produeixen la mort abans dels 6 mesos. L'adrenoleucodistròfia lligada al cromosoma X (X-ALD) es deu a una mutació del transportador de membrana ABCD1, acumulant àcids grassos de cadena molt llarga i desencadenant atàxia, sordesa, demència i degeneració del sistema nerviós.

ESQUEMA Vies d'importació de proteïnes als peroxisomes A nivell funcional, els peroxisomes duen a terme reaccions oxidatives essencials: Detoxificació i catabolisme oxidatiu: Utilitzen enzims com la catalasa per descompondre compostos tòxics i degradar peròxid d'hidrogen. Al fetge i als ronyons, oxiden alcohols a aldehids. Oxidació d'àcids grassos: Realitzen la β-oxidació dels àcids grassos de més de 20 carbonis (els de 10 a 20 carbonis es processen tant en peroxisomes com en mitocondris animals). A les plantes i llevats, tota la β-oxidació és exclusivament peroxisòmica i desprèn calor en lloc de produir ATP directament.

Síntesi de plasmalògens: Els peroxisomes inicien la biosíntesi d'aquests fosfolípids eteri (que finalitza al reticle endoplasmàtic), fonamentals per a les beines de mielina de les cèl·lules de Schwann. Funcions vegetals específiques: Participen en la fotorespiració, coordinant-se amb cloroplasts i mitocondris per transformar el glicolat en glicerat consumint oxigen i alliberant . En les llavors durant la germinació, peroxisomes especialitzats anomenats glioxisomes duen a terme el cicle del glioxilat, transformant els lípids de reserva en glúcids per nodrir la plàntula abans de convertir-se en peroxisomes clàssics.

Proteïnes de membrana Mediat per senyal intern Pex19, Pex3 i Pex16 Complex d'inserció lipídica Proteïnes solubles de la matriu Mediat per senyals terminals PTS Via PTS1 (Pex5) Tripèptid C-terminal Ser-Lys-Leu Via PTS2 (Pex7) Seqüència N-terminal CO 2 Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 25 COMPROVA-HO 37 Quin paper funcional té el cicle del glioxilat en la germinació de les plantes? IDEES CLAU La cardiolipina manté la impermeabilitat estricta de la membrana mitocondrial interna, fent possible la formació del gradient de protons. El cicle de Krebs a la matriu mitocondrial produeix , , i per cada acetil-CoA oxidat.

El transport d'electrons bombeja protons cap a l'espai intermembranós i el seu retorn per la subunitat activa el gir mecànic de a l'ATP sintasa. Desacobladors com la termogenina (UCP1) o el dinitrofenol permeten el retorn de protons a la matriu sense sintetitzar ATP, generant calor. L'ADN mitocondrial és circular bicatenari, no té introns ni heterocromatina constitutiva, i s'hereta per via exclusivament materna. Els peroxisomes importen proteïnes mitjançant peroxines (Pex), oxiden àcids grassos de cadena molt llarga, sintetitzen plasmalògens i, en vegetals, participen en el cicle del glioxilat i la fotorespiració. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 38.

Com actua la termogenina (UCP1) del teixit adipós marró per generar calor? 39. Quina diferència mecanística hi ha entre la importació de proteïnes de membrana i proteïnes solubles al peroxisoma? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 40. Quin lípid confereix una impermeabilitat estricta a la membrana mitocondrial interna? 41. Quin és el rendiment per cada acetil-CoA oxidat al cicle de Krebs? 42. Quin efecte directe té el dinitrofenol sobre la bioenergètica mitocondrial?

2 CO 2 3 NADH 1 FADH 2 1 GTP F 0 F 1 Fosfatidilcolina a) Cardiolipina b) Plasmalogen c) Colesterol d) 2 CO , 3 NADH, 1 FADH , 1 GTP a) 2 CO , 2 NADH, 1 FADH , 2 ATP b) 3 CO , 1 NADH, 3 FADH , 1 GTP c) 1 CO , 2 NADH, 2 FADH , 2 ATP d) Atura l'entrada de piruvat a la matriu a) Bloqueja el flux d'electrons a l'oxigen b) Dissipa el gradient de protons c) Inhibeix la rotació de la subunitat F d) Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 26 43. Quina ruta peroxisòmica permet a les llavors convertir àcids grassos en carbohidrats?

Fotorespiració a) Cicle del glioxilat b) Cicle de Krebs c) Fermentació làctica d) Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 27 5 Principis generals, receptors intracel·lulars i GPCRs EN ACABAR SABRÀS Distingir les diferents modalitats de comunicació intercel·lular segons la distància i naturalesa del senyal. Diferenciar les respostes citoplasmàtiques ràpides de les respostes genòmiques lentes. Descriure el mecanisme d'acció de l'òxid nítric sobre la musculatura vascular. Explicar el cicle d'activació dels GPCR i les cascades d'efectors intracel·lulars associades (AMPc i IP3/DAG).

PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 44 Com pot un senyal químic extracel·lular provocar una resposta en mil·lisegons en una cèl·lula i trigar diverses hores en una altra? La supervivència dels organismes pluricel·lulars depèn de la capacitat de les seves cèl·lules per coordinar activitats, intercanviar informació i respondre a estímuls de l'entorn. Aquest intercanvi es produeix mitjançant senyals químics secretats per cèl·lules emissores i detectats per cèl·lules diana mitjançant receptors específics.

Senyalització cel·lular 5 Principis generals, receptors intracel·lulars i GPCRs 6 Receptors tirosina-cinasa, via Ras/MAPK i terminació Biologia Cel·lular: Nucli, Orgànuls, Senyal i Divisió 28 ESQUEMA Mecanismes de senyalització cel·lular Modalitats de comunicació intercel·lular Segons la distància que recorre el senyal químic i la via que utilitza per arribar a la cèl·lula receptora, es distingeixen diversos patrons bàsics de comunicació: Senyalització endocrina: les molècules senyalitzadores reben el nom d'hormones. Es secreten al torrent sanguini, viatgen llargues distàncies per tot l'organisme i presenten una vida mitjana prolongada.

Senyalització paracrina: el missatger químic actua com a mediador local. Posseeix una vida mitjana curta i difon únicament a través del medi extracel·lular cap a cèl·lules properes. Senyalització autocrina: la cèl·lula emissora allibera una molècula que actua sobre els seus propis…