Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes

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APUNTES BIOLOGÍA CELULAR Y FUNDAMENTOS DE GENÉTICA Grado en Nutrición Humana y Dietética Universidad Rovira i Virgili AprenAI 2026-2027 Apuntes completos de Biología Celular y Genética: orgánulos, ciclo celular, mitosis, meiosis, gametogénesis, leyes de Mendel y mutaciones cromosómicas. APREN.AI Índice 1 Introducción — Teoría celular y organización procariota frente a eucariota Hitos históricos y formulación de la teoría celular Organización biológica: procariotas frente a eucariotas Divergencia entre células animales y vegetales Criterios de Whittaker y teoría endosimbiótica Biología celular 2 Retículo endoplasmático: estructura, biosíntesis lipídica y síntesis proteica 1.

Arquitectura y composición molecular de las membranas del retículo 2. Funciones metabólicas del retículo endoplasmático liso (REL) 3. Síntesis proteica y translocación cotraduccional en el RER 4.

N-glicosilación y control de calidad en el lumen del retículo 3 Aparato de Golgi y tráfico vesicular Organización estructural y polaridad del aparato de Golgi Composición química de las membranas y dotación enzimática Procesamiento secuencial de biomoléculas y funciones biosintéticas Mecanismos de tráfico vesicular: cubiertas, Rab y SNARE 4 Lisosomas y digestión celular Naturaleza, organización y propiedades fisicoquímicas del lisosoma Evolución conceptual y modelos de maduración: del lisosoma clásico a la vía endosomal Rutas de digestión intracelular: heterofagia y autofagia Digestión extracelular y biogénesis de los lisosomas 5 Peroxisomas: función oxidativa y biogénesis Morfología y organización general del peroxisoma Composición bioquímica de la membrana y del lumen Acoplamiento enzimático: oxidasas flavínicas y catalasa Metabolismo peroxisomal especializado: células animales y vegetales Biogénesis peroxisomal y recambio celular 6 Mitocondrias: estructura, fosforilación oxidativa y semiautonomía Ultraestructura y composición de los compartimentos mitocondriales Fosforilación oxidativa y bioenergética Funciones anapleróticas y homeostasis del calcio Semiautonomía genética, biogénesis y origen endosimbiótico 7 Núcleo interfásico, cromatina y biogénesis de ribosomas 1.

Envoltura nuclear y transporte nucleocitoplásmico 2. Organización y empaquetamiento de la cromatina 3.

Estructura nucleolar y biogénesis ribosómica Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 1 8 Ciclo celular — Regulación molecular, puntos de control y muerte celular Capacidad proliferativa de las estirpes celulares Fases del ciclo celular e interfase Regulación molecular: complejos ciclina-CDK Puntos de control y señales fisiológicas Muerte celular: apoptosis frente a necrosis División celular 9 Mitosis y citocinesis Estructura del cromosoma metafásico y cinetocoro Profase: condensación y formación del huso mitótico Prometafase: fragmentación de la envoltura e interacción cinetocórica Metafase: ensamblaje de la placa ecuatorial Anafase: separación sincrónica cromatídica y elongación Telofase y citocinesis animal 10 Meiosis y variabilidad genética Significado biológico de la meiosis Profase I: subfases y ensamblaje macromolecular Primera división meiótica: segregación reduccional Segunda división meiótica: segregación ecuacional Comparativa cuantitativa y funcional: mitosis frente a meiosis 11 Gametogénesis — Ovogénesis, espermatogénesis y espermiogénesis Organización funcional del ovario y foliculogénesis Maduración ovocitaria: fases prenatales, pausas meióticas y asimetría Espermatogénesis en el epitelio seminífero Espermiogénesis: metamorfosis de espermátida a espermatozoide Composición bioquímica del acrosoma Comparativa biológica y cronológica entre ovogénesis y espermatogénesis 12 Desarrollo temprano — Fecundación, segmentación y gastrulación embrionaria Capacitación espermática y transporte por el tracto femenino Interacción gamética y reacción acrosómica Mecanismos de bloqueo de la poliespermia Fusión celular, reactivación meiótica y cariogamia Segmentación cigótica y formación del blastocisto Gastrulación y el establecimiento del plan corporal trilaminar Neurulación y organogénesis temprana 13 Genética — Leyes de Mendel, conceptos alélicos y compensación de dosis génica Terminología básica de la herencia Relaciones intraalélicas y parámetros de manifestación Principios y leyes de Mendel Compensación de dosis génica y corpúsculo de Barr Descubrimiento del material genético: transformación bacteriana Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 2 Genética médica 14 Trastornos monogénicos, patrones de herencia y cariotipo humano Clasificación general de los trastornos genéticos Patrones de herencia autosómica Herencia ligada a los cromosomas sexuales Metodología del cariotipo clínico Estructura cromosómica y patrones de bandeo G 15 Mutaciones cromosómicas, genómicas y elementos móviles Clasificación general de las mutaciones Mutaciones cromosómicas estructurales Mutaciones genómicas y alteraciones numéricas Elementos genéticos móviles y diagnóstico prenatal 16 Resumen para repasar Orgánulos celulares y flujo de endomembranas Ciclo celular, división y desarrollo embrionario Genética mendeliana, cariotipo y mutaciones Soluciones de las preguntas de repaso Estos apuntes pueden contener errores u omisiones.

Son un material de apoyo y no sustituyen al temario oficial ni al profesorado: contrasta la información importante. Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 3 1 Introducción — Teoría celular y organización procariota frente a eucariota AL ACABAR SABRÁS Identificar los hitos históricos y autores en el desarrollo de la teoría celular. Enunciar y distinguir los cuatro postulados fundamentales de la teoría celular. Contrastar las diferencias estructurales entre células procariotas y eucariotas. Explicar el modelo endosimbiótico de Lynn Margulis para mitocondrias y plastos.

PIÉNSALO ANTES DE LEER 1 ¿Por qué las mitocondrias y los cloroplastos conservan su propio material genético dentro de la célula eucariota? La biología celular moderna se fundamenta en el reconocimiento de la célula como la estructura elemental de la materia viva dotada de vida propia, capacidad metabólica, crecimiento y reproducción.

ESQUEMA Organización general de los tipos celulares Hitos históricos y formulación de la teoría celular La construcción conceptual de la célula requirió el avance instrumental de la microscopía y el trabajo coordinado de diversos naturalistas durante los siglos XVII y XIX: Robert Hooke: introdujo por primera vez el término célula al observar cavidades poliédricas en cortes de corcho. René Dutrochet: determinó que la totalidad de los tejidos y órganos de los seres vivos están formados por células. Mathias Schleiden: concluyó que las plantas y los tejidos vegetales se constituyen íntegramente por células organizadas.

Theodor Schwann: extendió esta noción al reino animal, sentando que la célula representa la unidad estructural fundamental de la vida. Rudolf Virchow: consolidó la perspectiva de la continuidad biológica al postular que toda célula procede siempre de la división de otra ya existente.

Células procariotas Sin núcleo ni endomembranas; bacterias Células eucariotas Con núcleo y sistema de endomembranas Célula animal Heterótrofa, lisosomas, sin pared celular Célula vegetal Fotoautótrofa, cloroplastos y pared celular Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 4 Esta serie de descubrimientos cristalizó en el siglo XIX en los cuatro postulados canónicos: POSTULADOS DE LA TEORÍA CELULAR COMPRUEBA 2 ¿Por qué el postulado de Virchow refutó de forma definitiva la generación espontánea celular?

Organización biológica: procariotas frente a eucariotas En el siglo XX, la introducción del microscopio electrónico permitió una resolución nanométrica que consolidó la diferenciación básica entre la arquitectura procariota y eucariota.

Parámetro Célula procariota Célula eucariota Organismos representativos Bacterias Animales, plantas, hongos, algas y protozoos Tamaño celular Muy pequeño ( ) Variable ( ) Membrana plasmática Presente Presente Cápsula glucolipídica Presente Ausente Pared celular De peptidoglicanos (glucopéptidos) Variable: celulosa y hemicelulosa (plantas) o quitina (hongos); ausente en animales Envoltura nuclear Ausente (sin núcleo compartimentado) Presente (núcleo delimitado por doble membrana) Sistema de endomembranas Ausente Presente (red formada por retículo endoplasmático rugoso, liso y aparato de Golgi) Material genético Cromosoma único, circular y libre de histonas Múltiples cromosomas lineales asociados a histonas Ribosomas 70S 80S citosólicos Citoesqueleto Ausente Presente (soporte mecánico y transporte interno) Modalidades de división Asexual mediante bipartición Asexual (mitosis) y sexual (meiosis) Unidad morfológica (estructural): todos los organismos están formados por una o más células.

1 Unidad fisiológica (funcional): en el interior celular se desarrollan todas las reacciones metabólicas que sostienen la vida. 2 Unidad de origen: toda célula proviene de la división de una célula preexistente. 3 Unidad genética: cada célula almacena la información hereditaria que transmite a su descendencia. 4 < 1 μm > 1 μm Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 5 Para profundizar en los sistemas membranosos y la segregación genómica eucariota, véase «Biología celular — Retículo endoplasmático: estructura, biosíntesis lipídica y síntesis proteica», «Biología celular — Núcleo interfásico, cromatina y biogénesis de ribosomas» y «División celular — Mitosis y citocinesis».

ERROR FRECUENTE Es un error habitual clasificar a los hongos y a las algas como células procariotas por su simplicidad o presencia de pared celular. Ambos grupos son taxones eucariotas con núcleo verdadero, citoesqueleto y orgánulos membranosos. COMPRUEBA 3 ¿En qué se diferencian el ADN bacteriano y el eucariota en cuanto a conformación y proteínas estructurales?

Divergencia entre células animales y vegetales Dentro del dominio eucariota, las estirpes celular animal y vegetal presentan discrepancias directas ligadas a su modo trófico: Rasgo morfológico o fisiológico Célula animal Célula vegetal Pared externa Ausente Presente (compuesta de polisacáridos) Morfología celular Formas variadas y flexibles Formas poliédricas y rígidas Compartimentos líticos y almacenamiento Lisosomas y vesículas de transporte Grandes vacuolas centrales Plastos fotosintéticos Ausentes Cloroplastos funcionales Régimen trófico Heterótrofa (nutrición a partir de materia orgánica externa) Fotoautótrofa (síntesis de compuestos orgánicos por fotosíntesis) Para estudiar con detalle la lisis celular animal y los orgánulos de biogénesis energética, véase «Biología celular — Lisosomas y digestión celular» y «Biología celular — Mitocondrias: estructura, fosforilación oxidativa y semiautonomía».

Criterios de Whittaker y teoría endosimbiótica La delimitación y categorización de la diversidad celular se articuló a través de los criterios propuestos por Robert Whittaker, los cuales analizan de forma conjunta cuatro propiedades clave: Evolución: las relaciones filogenéticas e históricas de los linajes. Tipo de células: organización procariota o eucariota. Organización celular: condición unicelular o pluricelular. Sistemas de nutrición: vías autótrofas (fotosíntesis) o heterótrofas (absorción o ingestión). El tránsito biológico que posibilitó la aparición de la complejidad eucariota queda fundamentado por la teoría endosimbiótica formulada por Lynn Margulis.

Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 6 TEORÍA ENDOSIMBIÓTICA Propone que orgánulos eucariotas como las mitocondrias y los plastos (incluidos los cloroplastos) derivan evolutivamente de microorganismos procariotas que fueron fagocitados por células hospedadoras primitivas, estableciendo una relación de endosimbiosis permanente y obligada.

PROCESO Origen endosimbiótico de orgánulos eucariotas 1 Procariota libre Microorganismos con metabolismo oxidativo o fotosintético 2 Engloba miento Célula hospedadora captura al microorga nismo por fagocitosis 3 Endosimbio sis Cooperación metabó lica y supervivencia mu tua obligada 4 Mitocon drias y plastos Conversión definitiva en orgánulos semiautóno mos eucariotas COMPRUEBA 4 ¿Qué elementos estructurales conservan mitocondrias y cloroplastos que respaldan su origen procariota según Margulis? IDEAS CLAVE La teoría celular consagra a la célula como la unidad estructural, funcional, de origen y genética de todos los organismos.

Hooke introdujo el término célula; Dutrochet, Schleiden y Schwann definieron su universalidad biológica; y Virchow demostró su continuidad reproductiva. Las células procariotas carecen de envoltura nuclear, endomembranas y citoesqueleto, y presentan ribosomas 70S y pared de peptidoglicano. Las células eucariotas animales y vegetales difieren principalmente en la posesión de pared celular, cloroplastos, vacuolas y su régimen nutricional. Whittaker clasificó los seres vivos por criterios filogenéticos, tipo celular, grado organizativo y patrones nutricionales.

La teoría endosimbiótica de Lynn Margulis explica el origen de mitocondrias y plastos a partir de procariotas englobados en simbiosis intracelular. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 5. ¿Cuáles son los cuatro postulados esenciales que definen la teoría celular? 6. ¿En qué difieren las envolturas externas y los ribosomas de procariotas y eucariotas? 7. ¿Cómo fundamenta la teoría de Lynn Margulis el surgimiento evolutivo de los cloroplastos y mitocondrias? Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 7 Test Rodea la respuesta correcta. Las soluciones están al final. 8. ¿Qué postulado incorporó Rudolf Virchow a la teoría celular clásica? 9.

¿Qué tipo de ribosomas caracteriza típicamente a las células procariotas? 10. ¿Cuál es el componente químico principal de la pared celular en las bacterias? 11. ¿Qué par de orgánulos eucariotas se originó según la teoría endosimbiótica de Margulis?

El citoesqueleto organiza el citoplasma a) Los tejidos vegetales contienen células b) Las células proceden de células preexistentes c) El término célula define huecos hexagonales d) Ribosomas 70S a) Ribosomas 80S b) Ribosomas 60S c) Ribosomas 40S d) Polisacáridos de hemicelulosa a) Polímeros nitrogenados de quitina b) Fibras insolubles de celulosa c) Peptidoglicanos o glucopéptidos d) Mitocondrias y plastos a) Retículo endoplásmico y Golgi b) Vacuolas y citoesqueleto c) Lisosomas y peroxisomas d) Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 8 2 Retículo endoplasmático: estructura, biosíntesis lipídica y síntesis proteica AL ACABAR SABRÁS Diferenciar la organización ultraestructural y las funciones metabólicas del RER y del REL.

Describir la reacción de hidroxilación del citocromo P450 y el rol de la glucosa-6-fosfatasa. Explicar las etapas de la translocación cotraduccional mediada por la partícula PRS y el translocón. Analizar el mecanismo de la N-glicosilación y los criterios del control de calidad en el lumen del retículo. PIÉNSALO ANTES DE LEER 12 ¿Por qué las proteínas destinadas al exterior celular no pueden ser sintetizadas y plegadas libremente en el citosol? El retículo endoplásmico constituye el sistema de endomembranas más extenso de la célula eucariota (para la distinción general de compartimentos véase «Introducción — Teoría celular y organización procariota frente a eucariota»).

Sus cisternas y túbulos aplanados delimitan una cavidad interna o lumen continua con la envoltura nuclear, actuando como la fábrica primaria de biomoléculas estructurales y de exportación. Biología celular 2 Retículo endoplasmático: estructura, biosíntesis lipídica y síntesis proteica 3 Aparato de Golgi y tráfico vesicular 4 Lisosomas y digestión celular 5 Peroxisomas: función oxidativa y biogénesis 6 Mitocondrias: estructura, fosforilación oxidativa y semiautonomía 7 Núcleo interfásico, cromatina y biogénesis de ribosomas Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 9 ESQUEMA Compartimentación y funciones del retículo endoplasmático 1.

Arquitectura y composición molecular de las membranas del retículo El retículo se organiza en dos dominios funcionalmente acoplados pero con morfologías bien diferenciadas: el retículo endoplasmático rugoso (RER), formado por sacos aplanados con ribosomas adosados en su superficie citosólica, y el retículo endoplasmático liso (REL), constituido por una red tridimensional de túbulos membranosos libres de ribosomas. La membrana de este orgánulo presenta una proporción cuantitativa singular: aproximadamente un 70% de proteínas y un 30% de lípidos.

Los lípidos se caracterizan por presentar cadenas de ácidos grasos cortas e insaturadas que dotan a la bicapa de una elevada fluidez y facilitan la deformación de membranas. La fosfatidilcolina predomina en la cara luminal favoreciendo la curvatura y la gemación de vesículas. Por su parte, el contenido luminal está formado por un 60-70% de agua junto a iones y diversas proteínas solubles. Insertadas en la bicapa se encuentran dos cadenas de transporte electrónico microsomal que transfieren equivalentes de reducción para transformaciones oxidativas: Sistema del Citocromo P450: cataliza la hidroxilación de sustratos endógenos y xenobióticos.

Se asocia a la NADPH-citocromo P450 reductasa en la monocapa citosólica.

Retículo Endoplasmático Red de endomembranas interconectadas Retículo Liso (REL) Red de túbulos sin ribosomas Biosíntesis lipídica Fosfolípidos, colesterol y ceramida Detoxificación y Glucosa Citocromo P450 y glucosa-6-fosfatasa Reserva de Calcio Retículo sarcoplásmico muscular Retículo Rugoso (RER) Cisternas con ribosomas adheridos Translocación proteica Proteínas secretoras y de membrana N- Glicosilación Adición de oligosacárido precursor Control de calidad Plegamiento nativo o proteosoma Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 10 Sistema del Citocromo b5: participa activamente en reacciones de desaturación de ácidos grasos acoplado a la NADH-citocromo b5 reductasa.

Esquema de la organización molecular y proteínas de la membrana reticular. COMPRUEBA 13 ¿Por qué la membrana del retículo contiene una proporción tan alta de proteínas frente a lípidos (70:30)? 2. Funciones metabólicas del retículo endoplasmático liso (REL) El REL centraliza los principales procesos de síntesis lipídica y adecuación química de moléculas celulares: Biosíntesis de lípidos de membrana: Los fosfolípidos se ensamblan exclusivamente en la monocapa citosólica del retículo. Los ácidos grasos se unen a la coenzima A citosólica y se transfieren progresivamente al glicerol-3-fosfato formando ácido fosfatídico.

Este pierde su fosfato generando diacilglicerol, sobre el cual se transfiere una cabeza polar activada como citidindifosfato-colina (CDP-colina) para originar fosfatidilcolina con liberación de CMP. Una translocasa lipídica o flipasa transfiere fosfolípidos hacia la cara luminal para mantener la simetría y el crecimiento uniforme de la membrana. Asimismo, en el REL se produce la síntesis de colesterol y derivados (ácidos biliares y hormonas esteroideas), ceramida (precursora de esfingolípidos) y las reacciones de elongación y desaturación de ácidos grasos.

Detoxificación hepática de xenobióticos: En los hepatocitos, el citocromo P450 convierte fármacos e hidrocarburos insolubles en derivados polares mediante una hidroxilación dependiente de NADPH: Diagrama de la cadena de óxido-reducción dependiente del citocromo P450. Al introducir el grupo hidroxilo ( ), las toxinas lipofílicas se vuelven solubles en agua y pueden eliminarse por excreción renal o biliar.

Sustrato-H + H + + NADPH + O 2 Sustrato-OH + H O + 2 NADP+ OH Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 11 Homeostasis glucémica y desfosforilación de la glucosa: La enzima glucosa-6-fosfatasa, anclada en la membrana del retículo con su centro activo orientado al lumen, hidroliza el grupo fosfato de la glucosa-6- fosfato procedente de la glucogenólisis hepática. Al eliminar la carga del éster fosfato, la glucosa libre resultante puede cruzar la membrana plasmática hacia el torrente circulatorio. Almacén y secuestro de calcio ( ): Las cisternas del REL capturan iones de calcio desde el citosol mediante una bomba de calcio dependiente de ATP.

En las células musculares estriadas, este orgánulo especializado recibe el nombre de retículo sarcoplásmico. La liberación transitoria y el bombeo de vuelta de este catión coordinan la contracción muscular y median cascadas de segundos mensajeros. COMPRUEBA 14 ¿Cuál es la razón fisiológica por la que la glucosa-6-fosfatasa debe actuar en el retículo hepático antes de liberar glucosa a la sangre? 3. Síntesis proteica y translocación cotraduccional en el RER Las proteínas destinadas a secreción celular, enzimas lisosomales y proteínas integrales de membrana inician su traducción en ribosomas citosólicos libres.

La dirección selectiva hacia el RER depende de una secuencia señal de translocación compuesta por 16 a 30 aminoácidos hidrofóbicos ubicados en el extremo amino- terminal (N-terminal) del polipéptido naciente. Esquema de translocación cotraduccional, plegamiento y N-glicosilación de proteínas en el RER. Ca2+ Reconocimiento de la señal: Al emerger el péptido señal del ribosoma, se une a la Partícula Reconocedora de la Señal (PRS), un complejo de ribonucleoproteínas provisto de un bolsillo hidrofóbico. Dicha unión frena temporalmente la elongación de la cadena traduccional.

1 Anclaje al retículo: El complejo ribosoma-PRS interactúa con el receptor de la PRS situado en la superficie citosólica de la membrana del RER. 2 Apertura del translocón: La PRS se desacopla mediante hidrólisis y el ribosoma se sella sobre el translocón (canal acuoso transmembrana). El canal abre su compuerta permitiendo reanudar la síntesis polipeptídica directamente hacia el interior luminal. 3 Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 12 ERROR FRECUENTE Confundir el punto de corte del péptido señal: la peptidasa de la señal se ubica estrictamente orientada hacia el lumen del RER (o en su dominio de membrana luminal), nunca libre en el citoplasma.

Por tanto, el extremo señal no se elimina durante la fase citosólica inicial, sino una vez que penetra en el interior del canal de translocación. 4. N-glicosilación y control de calidad en el lumen del retículo De forma coordinada a la translocación tiene lugar la N-glicosilación de proteínas. Consiste en la adición en bloque de un oligosacárido precursor hidrófilo previamente ensamblado sobre un lípido transportador de la membrana: el dolicol fosfato. Componente de la N- glicosilación Composición o diana específica Función biológica Oligosacárido precursor (14 residuos) 2 N-acetilglucosaminas, 9 manosas y 3 glucosas Etiqueta molecular para plegamiento y direccionamiento.

Secuencia consenso de anclaje ( ) Motivo peptídico donde la oligosacariltransferasa une la cadena. Proteína disulfuro isomerasa (PDI) Grupos tiol luminal ( ) Oxida y reorganiza enlaces disulfuro correctos. Chaperonas unidoras de glucosa Residuos terminales de glucosa/lectinas Supervisan el plegamiento antes del envío vesicular. El control de calidad implica la eliminación escalonada de las 3 glucosas y 1 manosa mediante glucosidasas. Si la proteína no adquiere su conformación tridimensional funcional, chaperonas moleculares y enzimas detectoras de plegamiento anómalo le vuelven a incorporar una glucosa para retenerla en sucesivos ciclos de plegamiento.

Si persisten los defectos estructurales, la glicoproteína defectuosa se retrotransloca al citosol, donde se marca covalentemente con ubiquitina, se le eliminan los azúcares y es destruida en el complejo del proteosoma. Biogénesis y dinámica del retículo: El retículo no se forma de novo; durante la mitosis, la célula reparte fragmentos vesiculares preexistentes de la célula progenitora a las células hijas.

Durante la interfase celular (cuyo ciclo molecular se detalla en «Ciclo celular — Regulación molecular, puntos de control y muerte celular»), el RER se sintetiza en primera instancia y, conforme sintetiza componentes y pierde ribosomas por diferenciación membranosa, origina progresivamente los túbulos del REL. COMPRUEBA 15 ¿Cuál es el destino de una glicoproteína luminal del RER que es incapaz de plegarse correctamente a pesar de los ciclos de chaperonas? Escisión del péptido señal: Una enzima luminal asociada, la peptidasa de la señal, corta el residuo hidrofóbico inicial, liberando la proteína soluble madura hacia el lumen del retículo, donde adquiere su plegamiento nativo.

Las regiones transmembrana escapan lateralmente por la pared del translocón para integrarse en la bicapa. 4 Asn X Ser/Thr X = prolina SH Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 13 IDEAS CLAVE Las membranas del retículo endoplásmico poseen una relación de 70% proteínas y 30% lípidos, destacando por su asimetría y riqueza en fosfatidilcolina luminal. El retículo endoplasmático liso participa activamente en la síntesis de fosfolípidos, colesterol, detoxificación mediante el citocromo P450, desfosforilación de glucosa-6-fosfato y reserva de calcio.

La translocación al RER es de naturaleza cotraduccional, guiada por un péptido señal hidrofóbico N- terminal reconocido por la PRS que dirige el ribosoma al translocón. La N-glicosilación transfiere un oligosacárido precursor común de 14 monómeros desde el dolicol fosfato al motivo ( ). El control de calidad luminal supervisa el correcto plegamiento polipeptídico, derivando las proteínas defectuosas hacia la ubiquitinación y degradación en el proteosoma citosólico. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 16. ¿Qué secuencia aminoacídica reconoce la enzima oligosacariltransferasa para anclar la rama oligosacarídica en el RER? 17.

¿Cuál es la función del dolicol fosfato durante la biosíntesis de glicoproteínas? BIOLOGÍA CELULAR 3 Aparato de Golgi y tráfico vesicular AL ACABAR SABRÁS Distinguir la polaridad estructural y las funciones de las caras cis y trans del dictiosoma. Relacionar la dotación enzimática compartimental con la maduración de glúcidos y proteínas. Explicar el papel complementario de las proteínas Rab y SNARE en el tráfico y fusión vesicular. PIÉNSALO ANTES DE LEER 18 ¿Por qué las proteínas recién sintetizadas en el retículo endoplasmático no pueden viajar directamente a su destino definitivo sin pasar por el aparato de Golgi?

Organización estructural y polaridad del aparato de Golgi El aparato de Golgi es un orgánulo membranoso presente en todas las células eucariotas. Su función nuclear radica en procesar, clasificar y distribuir las proteínas y lípidos que proceden del retículo endoplasmático (véase «Biología celular — Retículo endoplasmático: estructura, biosíntesis lipídica y síntesis proteica»). La unidad anatómica y funcional de este orgánulo es el dictiosoma, formado por una pila de cisternas aplanadas rodeadas de vesículas asociadas.

El dictiosoma no es una estructura simétrica: exhibe una marcada polaridad morfológica y bioquímica a lo largo de su eje de transporte: Asn X Ser/Thr X = Pro Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 14 Cara cis (o de formación): orientada hacia el retículo endoplasmático. Recibe continuamente pequeñas vesículas de transición cargadas de biomoléculas recién sintetizadas. Cisternas mediales (o intermedias): sacos centrales donde ocurren las etapas intermedias de procesamiento bioquímico. En sus zonas laterales se desprenden vesículas dictiosomales que participan en el transporte intramembranoso. Cara trans (o de maduración/secreción): dispuesta hacia la membrana plasmática.

Presenta un entramado tubular que emite vesículas de transporte de mayor calibre, destinadas a otros compartimentos o al exterior celular mediante exocitosis. En células especializadas en secreción (como neuronas o células glandulares), los dictiosomas se disponen en formaciones concéntricas interconectadas mediante prolongaciones tubulares, constituyendo un complejo de Golgi altamente desarrollado. PROCESO Tránsito molecular a través del dictiosoma COMPRUEBA 19 ¿Por qué se afirma que el dictiosoma posee una polaridad funcional fija?

Composición química de las membranas y dotación enzimática Las membranas del complejo de Golgi presentan características intermedias entre las del retículo endoplasmático rugoso (RER) y la membrana plasmática (MP). Esta graduación refleja su posición de puente en la ruta secretora: Membrana celular Proporción de proteínas Proporción de lípidos Membrana plasmática (MP) 60 % 40 % Aparato de Golgi (AG) 65 % 35 % Retículo endoplasmático rugoso (RER) 70 % 30 % Vesículas de transición Brotan del retículo cargadas de proteínas y lípidos recién sintetizados. 1 Cara Cis Entrada y fosforilación inicial o escisión de residuos de manosa.

2 Cisternas Mediales Modificación progresiva por manosidasas y N-acetilglucosamina transferasas. 3 Cara Trans Adición de galactosa, ácido siálico, sulfatación y clasificación de dianas. 4 Vesículas de transporte Distribución hacia lisosomas, gránulos de secreción o membrana plasmática. 5 Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 15 Las bicapas del aparato de Golgi son asimétricas y encierran un lumen compuesto en un 60 % por agua y diversos solutos.

La especialización funcional de este orgánulo descansa en un equipamiento de enzimas específicas distribuidas de forma no homogénea a lo largo del dictiosoma: Fosfotransferasas: fosforilan residuos en proteínas transmembrana y marcadores solubles. Glicosiltransferasas: transfieren monosacáridos a lípidos y cadenas peptídicas (por ejemplo, la N- acetilglucosamina transferasa). Manosidasas: hidrolizan enlaces covalentes entre residuos de manosa para recortar oligosacáridos. Sulfotransferasas: catalizan la adición de grupos sulfato a azúcares o cadenas proteicas.

ERROR FRECUENTE No confundas la fosforilación con la sulfatación de glúcidos en el aparato de Golgi: las fosfotransferasas actúan preferentemente en los compartimentos tempranos (cis e intermedias) para marcar dianas como las enzimas lisosomales, mientras que las sulfotransferasas y las transferasas terminales (galactosa, ácido siálico) operan en la cara trans.

Procesamiento secuencial de biomoléculas y funciones biosintéticas A medida que las proteínas sintetizadas en el retículo avanzan de cisterna en cisterna, sus restos hidrocarbonados sufren transformaciones escalonadas para adquirir conformación estable y una etiqueta molecular de destino: Esquema del procesamiento secuencial de oligosacáridos en las cisternas del dictiosoma. Modificaciones en la red cis: recepción de glucoproteínas con oligosacáridos ricos en manosa procedentes del retículo; eliminación inicial de restos de manosa por acción de manosidasas y fosforilación catalizada por fosfotransferasas.

1 Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 16 El aparato de Golgi ejecuta además cometidos biosintéticos decisivos para la célula: Renovación de membranas: aporta lípidos y proteínas hacia la membrana plasmática y las membranas lisosomales (véase «Biología celular — Lisosomas y digestión celular»). Síntesis del glicocálix: ensambla los complejos glucídicos de cubierta muy desarrollados en células animales. Construcción de pared celular: produce precursores polisacáridos para hongos y células vegetales.

Formación del acrosoma espermático: genera la gran vesícula cefálica del espermatozoide repleta de enzimas líticas (como hialuronidasa, acrosina y neurominidasa), indispensables para la fecundación. Ensamblaje de lipoproteínas: participa en la formación y maduración de quilomicrones y lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). COMPRUEBA 20 ¿Qué consecuencia tiene la ruta de fosforilación en la cara cis sobre el destino de una hidrolasa?

Mecanismos de tráfico vesicular: cubiertas, Rab y SNARE El tránsito vesicular entre los compartimentos celulares requiere sistemas proteicos que promuevan la curvatura de la membrana, la selección de la carga y la fusión dirigida hacia el orgánulo diana: Diagrama del tráfico vesicular cubierto por clatrina y complejos proteicos COP. Procesamiento en las cisternas mediales: escisión continuada de manosas mediante manosidasas específicas e incorporación progresiva de nuevos residuos de N-acetilglucosamina por glucosiltransferasas.

2 Maduración terminal en la red trans: adición de galactosa, incorporación de residuos de ácido siálico y sulfatación catalizada por sulfotransferasas, preparando la carga para su clasificación final. 3 Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 17 La formación de vesículas depende de proteínas de cubierta que desempeñan dos funciones compartidas: inducir la gemación o brotación de la bicapa lipídica y capturar selectivamente las moléculas de carga.

Vesículas recubiertas por proteínas COP: el complejo COP II media el transporte anterógrado (del retículo endoplasmático hacia la cara cis de Golgi y entre cisternas), mientras que el complejo COP I dirige el transporte retrógrado (devolución hacia el retículo y reciclaje entre cisternas). Intervienen también en la secreción continua o constitutiva. Vesículas recubiertas por clatrina: brotan de la cara trans para dirigir el transporte hacia los lisosomas, conducir vesículas de secreción regulada y participar en fenómenos de endocitosis. Esquema del anclaje y fusión vesicular dirigido por proteínas Rab y SNARE.

Una vez desprendida la cubierta proteica citosólica, la vesícula viaja hacia su destino donde la especificidad de interacción está estrictamente regulada por dos familias proteicas: Las proteínas Rab otorgan especificidad al reconocimiento de vesículas y las proteínas SNARE catalizan la fusión de la bicapa con la membrana diana. Proteínas Rab: pequeñas GTPasas asociadas a la superficie periférica de la vesícula que funcionan como identificadores de destino. Interactúan selectivamente con receptores específicos en la membrana diana (receptores lisosomales, receptores de membrana plasmática o receptores de cisternas de Golgi).

Proteínas SNARE: maquinaria fusogénica esencial formada por proteínas de la vesícula (v-SNARE) y de la membrana diana (t-SNARE). Su apareamiento en hélice aproxima íntimamente ambas bicapas lipídicas y vence la repulsión electrostática, catalizando la fusión completa. Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 18 PROCESO Mecanismo de anclaje y fusión de membranas 1 Brotación y pérdida de cubierta La vesícula pierde su cubierta citosólica de clatrina o COP. 2 Reconoci miento por Rab Las proteínas Rab peri féricas se unen a efecto res en la diana. 3 Aparea miento de SNAREs Interacción intermolecu lar estrecha entre v- SNARE y t-SNARE.

4 Fusión de bi capas Mezcla lipídica y ver tido de la carga al com partimento receptor. COMPRUEBA 21 ¿Qué papel diferente asumen las proteínas Rab y las proteínas SNARE durante la llegada de una vesícula? IDEAS CLAVE El dictiosoma es la unidad estructural polarizada de Golgi, con una cara cis de entrada y una cara trans de salida. La composición lipídica y proteica de la membrana de Golgi (65 % proteínas, 35 % lípidos) es intermedia entre la del RER y la membrana plasmática. El procesamiento de glucoproteínas ocurre de forma secuencial: fosforilación y recorte de manosas en cis/mediales, y adición terminal de azúcares y grupos sulfato en trans.

El orgánulo sintetiza componentes del glicocálix animal, pared celular vegetal, lipoproteínas y el acrosoma del espermatozoide. Las proteínas Rab garantizan la selectividad de anclaje de las vesículas, mientras que las SNARE catalizan la fusión de membranas. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 22. ¿En qué compartimento del dictiosoma actúan de forma preferente las sulfotransferasas y qué función desempeñan? 23. ¿Qué complejo de cubierta media el transporte anterógrado desde el retículo hacia el aparato de Golgi y cuál efectúa el transporte retrógrado?

Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 19 BIOLOGÍA CELULAR 4 Lisosomas y digestión celular AL ACABAR SABRÁS Describir la estructura de la membrana lisosomal y el mecanismo de acidificación luminal mediado por la V-ATPasa. Comparar las rutas funcionales de heterofagia y autofagia indicando sus papeles fisiológicos. Identificar los distintos compartimentos de maduración endosomal y lisosomal. Reconocer ejemplos clave de digestión extracelular dependiente de enzimas lisosomales. PIÉNSALO ANTES DE LEER 24 ¿Por qué un orgánulo repleto de enzimas destructivas no digiere a la célula entera si se rompe por accidente?

Naturaleza, organización y propiedades fisicoquímicas del lisosoma Los lisosomas son orgánulos de membrana simple y morfología vesicular presentes de manera característica en células animales y protozoos. En células vegetales y fúngicas, estructuras equivalentes de mayor tamaño denominadas vacuolas desempeñan esta función degradativa, además de participar en el almacenaje de metabolitos, pigmentos y agua. Una de sus propiedades estructurales más destacadas es el pleomorfismo: carecen de una forma geométrica estricta y su tamaño fluctúa notablemente entre 0,5 y 5 μm de diámetro según el estado fisiológico y el contenido luminal.

La membrana lisosomal presenta una proporción de lípidos (30-40 %) y proteínas (60-65 %). En ella residen componentes moleculares clave: Receptores específicos de membrana: reconocen las cargas y estructuras destinadas al catabolismo. Transportadores de metabolitos: translocan los monómeros resultantes de la hidrólisis (aminoácidos, monosacáridos) hacia el citosol celular. Bomba de protones vacuolar (V-ATPasa): hidroliza ATP para translocar H^+ hacia el interior en contra de gradiente, manteniendo un pH ácido próximo a 5,0.

El medio ácido luminal resulta imprescindible para la actividad óptima del conjunto de hidrolasas ácidas, una batería enzimática soluble capaz de escindir casi cualquier biomolécula mediante reacciones dependientes de agua del tipo: DEFINICIÓN Las hidrolasas ácidas son enzimas hidrolíticas cuyo rango de máxima actividad catabólica se sitúa a pH ácido luminal ( 5,0), lo que confiere seguridad biológica al citosol en caso de rotura vesicular fortuita. R-R + H O 2 R-OH + H-R (pH 5,0) Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 20 COMPRUEBA 25 ¿Por qué la acidez óptima de las hidrolasas lisosomales actúa como mecanismo protector frente a roturas accidentales?

Evolución conceptual y modelos de maduración: del lisosoma clásico a la vía endosomal Históricamente, la digestión celular se explicaba bajo un esquema binario: Lisosoma primario: vesícula recién originada en el aparato de Golgi provista exclusivamente de enzimas digestivas inactivas, sin sustrato que degradar. Lisosoma secundario: orgánulo más voluminoso resultante de la fusión de un lisosoma primario con vesículas cargadas de sustratos endógenos o exógenos, en el que se ejecuta activamente la hidrólisis. El marco contemporáneo describe este proceso como un sistema continuo y dinámico estructurado en torno al endosoma.

El endosoma no se considera un orgánulo estático aislado, sino un compartimento vesicular originado a partir de la invaginación de la membrana plasmática por endocitosis, cuya función central radica en reciclar componentes hacia la superficie y recibir vesículas con hidrolasas provenientes del aparato de Golgi (véase «Biología celular — Aparato de Golgi y tráfico vesicular»). Esquema de tipos de lisosomas diferenciados y cuerpos residuales en la célula.

A medida que el compartimento madura y se fusiona con vesículas hidrolíticas, se establecen distintas entidades funcionales: Endolisosoma: estación transitoria de fusión entre endosomas y vesículas hidrolíticas antes de alcanzar la maduración plena. Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 21 Fagolisosoma: orgánulo formado por la unión entre un fagosoma (con partículas sólidas de gran calibre) y vesículas cargadas de enzimas degradativas. Autofagolisosoma: cámara catalítica formada al englobar orgánulos o porciones del citosol de la propia célula. Lisosoma clásico (asociado a pinocitosis): vesícula madura dedicada al procesamiento de fluidos y solutos endocitados.

Cuerpo residual: compartimento que retiene desechos indigeribles una vez completada la digestión, destinado a la exocitosis o a permanecer confinado. ESQUEMA Clasificación de compartimentos lisosomales COMPRUEBA 26 ¿Qué distingue estructural y funcionalmente a un endolisosoma de un cuerpo residual?

Rutas de digestión intracelular: heterofagia y autofagia Las células eucariotas procesan macromoléculas mediante dos grandes vías según el origen de los sustratos: Compartimentos lisosomales Estados según maduración y sustrato degradado Heterofágicos Procesamiento de material exógeno Fagolisosoma Fusión con partículas sólidas fagocitadas Lisosoma pinocítico Digestión de fluidos y solutos endocitados Autofágicos Degradación de componentes celulares propios Autofagolisos Digestión de orgánulos y citosol propio Terminales Compartimentos con restos no digeribles Cuerpo residual Almacén final de desechos indigeribles Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 22 Diagrama de las rutas celulares comparadas de heterofagia y autofagia.

La heterofagia comprende la captura y degradación de material de origen extracelular incorporado por endocitosis (fagocitosis o pinocitosis). Desempeña roles fundamentales: Nutrición celular: captación y procesamiento de nutrientes en organismos unicelulares como protozoos. Defensa inmunológica: destrucción de bacterias y patógenos fagocitados en células especializadas animales. Recaptación macromolecular y fisiología endocrina: procesamiento de macromoléculas del medio y maduración o degradación de hormonas.

Por su parte, la autofagia consiste en el secuestro y catabolismo de elementos propios de la célula mediante autofagosomas, trabajando de forma coordinada con la maquinaria de proteosomas para mantener la homeostasis: Recambio y rejuvenecimiento de orgánulos: eliminación selectiva de componentes envejecidos o dañados. Depuración de excesos: degradación de estructuras celulares supernumerarias. Adaptación metabólica al ayuno: digestión intracelular para suministrar monómeros energéticos en ausencia continuada de nutrientes.

Diferenciación celular y remodelación tisular: reestructuración drástica de linajes, como la maduración de eritroblasto a eritrocito o los procesos de metamorfosis en animales. ERROR FRECUENTE Confundir autofagia con apoptosis o necrosis. La autofagia es una ruta intracelular de reciclaje que involucra lisosomas y puede mantener la viabilidad de la célula bajo estrés metabólico; no es en sí misma una vía de lisis accidental (necrosis) ni un programa de muerte celular programada independiente (véase «Ciclo celular — Regulación molecular, puntos de control y muerte celular»). COMPRUEBA 27 ¿En qué situación fisiológica de privación nutricional se incrementa la autofagia y qué beneficio aporta?

Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 23 Digestión extracelular y biogénesis de los lisosomas En circunstancias fisiológicas concretas, los lisosomas no retienen su contenido, sino que descargan sus hidrolasas hacia el exterior celular mediante fusión con la membrana plasmática: Remodelación ósea y cartilaginosa: durante el desarrollo embrionario y la osteogénesis, la secreción de hidrolasas degrada la matriz sobrante de tejido óseo y cartílago para esculpir la arquitectura anatómica definitiva.

Fecundación: el acrosoma del espermatozoide (un lisosoma especializado) libera enzimas líticas frente a la corona radiada y zona pelúcida para facilitar la penetración ovocitaria (véase «Gametogénesis — Ovogénesis, espermatogénesis y espermiogénesis»). Nutrición fúngica: los hongos vierten hidrolasas al medio externo para escindir polímeros ambientales y absorber los nutrientes resultantes mediante transportadores de membrana. Esquema del tráfico vesicular y maduración endosomal en la biogénesis lisosomal. La biogénesis lisosomal ilustra la interacción entre la vía secretora y la vía endocítica.

Se inicia en la cara trans del aparato de Golgi con la brotación de vesículas hidrolíticas recubiertas de clatrina. Al perder la cubierta, estas vesículas se fusionan secuencialmente con endosomas periféricos tempranos y posteriormente con endosomas perinucleares tardíos. La activación progresiva de la bomba de protones provoca la acidificación del compartimento (caída del pH), lo que desencadena la activación de las enzimas hidrolíticas y culmina en la formación de lisosomas funcionales. COMPRUEBA 28 ¿Cómo contribuyen los lisosomas al modelado esquelético durante la embriogénesis?

Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 24 IDEAS CLAVE Los lisosomas son orgánulos pleomórficos delimitados por membrana con un diámetro de 0,5 a 5 μm, equivalentes a las grandes vacuolas de vegetales y hongos. El lumen lisosomal mantiene un pH ácido de aproximadamente 5,0 gracias a la actividad de bombas de protones dependientes de ATP. Las hidrolasas ácidas requieren un pH cercano a 5,0 para catalizar la escisión de proteínas, glúcidos, lípidos y ácidos nucleicos mediante adición de agua.

La vía lisosomal actual se clasifica de forma dinámica según la maduración del endosoma y el origen del material: heterofagia (endocitosis externa) y autofagia (recambio de componentes propios). La digestión extracelular lisosomal interviene en funciones especializadas como la remodelación del cartílago y hueso embrionario, la fecundación y la absorción trófica en hongos. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 29. ¿Qué dos funciones principales cumplen las proteínas integrales de la membrana del lisosoma? 30. ¿En qué se diferencian la heterofagia y la autofagia según la procedencia del sustrato?

BIOLOGÍA CELULAR 5 Peroxisomas: función oxidativa y biogénesis AL ACABAR SABRÁS Diferenciar la catálisis redox mediada por oxidasas flavínicas frente a la actividad desintoxicante de la catalasa. Explicar el metabolismo peroxisomal en células animales y sus variantes vegetales (glioxisomas y fotorrespiración). Describir los mecanismos de biogénesis, importación de enzimas y recambio autofágico de los peroxisomas. PIÉNSALO ANTES DE LEER 31 ¿Por qué la célula necesita un orgánulo exclusivo para oxidar metabolitos si las mitocondrias ya consumen oxígeno de forma masiva?

Morfología y organización general del peroxisoma El peroxisoma es un orgánulo membranoso vesicular presente en el citoplasma de casi todas las células eucariotas (véase «Introducción — Teoría celular y organización procariota frente a eucariota»). Se engloba dentro del grupo funcional de los microcuerpos, junto a estructuras como los glioxisomas, glicosomas e hidrogenosomas. En el organismo humano, los peroxisomas se encuentran en todas las células con una única excepción destacable: los eritrocitos maduros carecen de peroxisomas. Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 25 Una célula típica contiene entre 200 y 300 peroxisomas, cuya vida media oscila entre 4 y 5 días.

No se encuentran distribuidos de manera uniforme o aleatoria en el hialoplasma; suelen localizarse en estrecha proximidad física con orgánulos metabólicamente relacionados, como las mitocondrias y los plastos. En el interior de su matriz o lumen suele apreciarse un nucleoide cristalino electrodenso, formado por la alta concentración agregada de enzimas oxidativas (principalmente urato oxidasa). DEFINICIÓN Un peroxisoma es un orgánulo esférico rodeado por una bicapa lipídica simple especializado en la oxidación de sustratos orgánicos mediante consumo directo de oxígeno molecular, generando y degradando peróxido de hidrógeno sin acoplar este proceso a la síntesis de ATP.

Composición bioquímica de la membrana y del lumen La membrana peroxisomal presenta una composición molecular bien diferenciada: Lípidos (aproximadamente 30 %): Se caracteriza por un contenido muy bajo en colesterol en comparación con otras endomembranas celulares. Proteínas (aproximadamente 70 %): Incluye transportadores específicos de metabolitos orgánicos, componentes de transferencia electrónica como el citocromo b5 y el citocromo P450 (véase «Biología celular — Retículo endoplasmático: estructura, biosíntesis lipídica y síntesis proteica»), y receptores membranales denominados peroxinas.

En cuanto a su permeabilidad pasiva, la membrana permite el libre tránsito de moléculas pequeñas sin carga como el y el . Por el contrario, es estrictamente impermeable a coenzimas de gran tamaño como el o el , lo que exige la existencia de transportadores específicos para mantener el equilibrio rédox entre el interior del orgánulo y el citosol. COMPRUEBA 32 ¿Por qué la membrana peroxisomal requiere transportadores específicos para intermediarios como NAD+ si es permeable a moléculas pequeñas?

Acoplamiento enzimático: oxidasas flavínicas y catalasa El rasgo metabólico definitorio del lumen peroxisomal es la acción secuencial y coordinada de dos familias enzimáticas: las oxidasas flavínicas y la catalasa. O 2 H O 2 NAD+ NADP+ Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 26 Esquema del acoplamiento funcional entre oxidasas flavínicas y catalasa peroxisomal.

En la primera etapa, las oxidasas flavínicas (como la urato-oxidasa, la D-aminoácido-oxidasa y la glicolato- oxidasa) utilizan oxígeno molecular para extraer átomos de hidrógeno de diversos sustratos orgánicos ( ), produciendo peróxido de hidrógeno ( ), una especie reactiva tóxica: Entre los sustratos oxidados en este paso se incluyen aminoácidos (generando -cetoácidos), acil-CoA (produciendo enoil-CoA), ácido glicólico (transformado en ácido glioxílico) y ácido úrico (convertido en alantoína).

En la segunda etapa, la enzima catalasa elimina el acumulado a través de dos mecanismos alternativos según el contexto metabólico: ERROR FRECUENTE Confundir la oxidación peroxisomal con la respiración mitocondrial: en el peroxisoma los electrones se transfieren directamente al oxígeno liberando la energía como calor. No existe ATP sintasa ni cadena transportadora acoplada a síntesis energética de ATP (véase «Biología celular — Mitocondrias: estructura, fosforilación oxidativa y semiautonomía»).

RH 2 H O 2 2 RH + 2 O 2 R + H O 2 2 α H O 2 2 Actividad peroxidativa: La catalasa emplea el peróxido de hidrógeno generado previamente para oxidar sustratos orgánicos secundarios pequeños ( ): Esta reacción resulta decisiva para oxidar etanol a acetaldehído, metanol a formaldehído y formaldehído a ácido fórmico.

1 R H 2 R H + 2 H O 2 2 R + 2H O 2 Actividad catalítica (desproporción): Cuando el peróxido de hidrógeno se encuentra en concentraciones elevadas sin donadores de electrones adecuados, la catalasa lo transforma directamente en agua y oxígeno elemental para evitar el daño celular: 2 2H O 2 2 2H O + 2 O 2 Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 27 PROCESO Acoplamiento metabólico oxidativo peroxisomal 1 Oxidación por oxidasas flaví nicas Consumo de O2 sobre sustratos orgánicos RH2. 2 Generación de peróxido tóxico Formación estequiomé trica de H2O2 luminal. 3 Acción pe roxidativa o catalí tica La catalasa consume H2O2 oxidando alcoho les o liberando O2.

4 Productos inocuos finales Obtención de agua y sustratos oxidados me tabólicamente útiles. Metabolismo peroxisomal especializado: células animales y vegetales Las rutas enzimáticas del peroxisoma varían de forma notable según el tipo de tejido y el organismo analizado: Tipo celular / Tejido Ruta o proceso Sustratos y productos principales Célula animal (general) -oxidación peroxisomal Ácidos grasos ramificados y de cadena muy larga acetil- CoA (que se exporta a mitocondrias). Hepatocitos Detoxificación y biosíntesis lipídica Oxidación de etanol y xenobióticos; síntesis de colesterol, ácidos biliares y plasmalógenos.

Células renales Catabolismo de bases púricas Degradación de purinas (adenina y guanina) hasta ácido úrico / alantoína. Semillas vegetales (glioxisomas) Ciclo del glioxilato Conversión neta de ácidos grasos almacenados en glúcidos para la germinación. Hojas vegetales Fotorrespiración Glicolato (del cloroplasto) glioxilato y glicina; se convierte en serina en mitocondrias y vuelve como glicérido. Los plasmalógenos merecen una mención especial: son una clase particular de fosfolípidos sintetizados inicialmente en los peroxisomas hepáticos que resultan imprescindibles para la estructura y estabilidad de las vainas de mielina en el sistema nervioso.

COMPRUEBA 33 ¿Qué diferencia funcional existe entre la beta-oxidación animal mitocondrial y la peroxisomal respecto a la estructura del ácido graso? Biogénesis peroxisomal y recambio celular La formación de nuevos peroxisomas en la célula responde a dos modelos biogenéticos complementarios que coexisten: β Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 28 Diagrama del crecimiento e importación proteica previa a la fisión peroxisomal. ESQUEMA Mecanismos de biogénesis peroxisomal En ambos esquemas, las enzimas de la matriz son sintetizadas en ribosomas libres citosólicos.

Su incorporación al interior del orgánulo depende de péptidos o secuencias señal de direccionamiento peroxisomal (señales SEP/PTS), las cuales son reconocidas específicamente por receptores proteicos de Vía dependiente del RE Gemación de vesículas precursoras desde el retículo. Importación postraduccional Reconocimiento citosólico por peroxinas y señales SEP. Vía de fisión y división Crecimiento por incorporación proteica y lipídica de peroxisomas previos. Estrangulamiento y fisión Elongación morfológica y escisión en dos peroxisomas hijos.

Modelo de gemación del retículo endoplásmico: Se generan vesículas precursoras a partir de las membranas del retículo endoplásmico (véase «Biología celular — Retículo endoplasmático: estructura, biosíntesis lipídica y síntesis proteica»). Estas vesículas incorporan posteriormente proteínas receptoras de membrana e importan enzimas desde el citosol para madurar. 1 Modelo de crecimiento y fisión: Los peroxisomas preexistentes aumentan su superficie de membrana mediante la adición de lípidos y proteínas citosólicas. Una vez alcanzado un tamaño umbral, la estructura se alarga y experimenta constricción y fisión binaria para originar dos peroxisomas hijos.

2 Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 29 membrana denominados peroxinas. Cuando los peroxisomas envejecen o se deterioran tras cumplir su ciclo de vida, se eliminan mediante procesos de autofagia dirigidos hacia los lisosomas celulares (véase «Biología celular — Lisosomas y digestión celular»). COMPRUEBA 34 ¿Dónde se sintetizan las enzimas luminales del peroxisoma y cómo llegan a su destino final? IDEAS CLAVE Los peroxisomas están presentes en casi todas las células eucariotas animales y vegetales, con excepción de los eritrocitos maduros.

El orgánulo no sintetiza ATP: la oxidación de sustratos por oxidasas flavínicas transfiere electrones al oxígeno formando , liberando la energía en forma de calor. La catalasa degrada el tóxico oxidando sustratos orgánicos secundarios como el etanol o descomponiéndolo directamente en y . En animales participan en la degradación de ácidos grasos ramificados y síntesis de plasmalógenos para la mielina; en vegetales forman glioxisomas para generar glúcidos y coordinan la fotorrespiración. La biogénesis peroxisomal combina la gemación de vesículas desde el retículo endoplásmico con el crecimiento e importación postraduccional dependiente de peroxinas y la fisión binaria.

COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 35. ¿Cuál es la función dual que desempeña la catalasa en el interior del peroxisoma? 36. ¿Qué papel cumplen los glioxisomas en las semillas vegetales durante la germinación? BIOLOGÍA CELULAR 6 Mitocondrias: estructura, fosforilación oxidativa y semiautonomía AL ACABAR SABRÁS Diferenciar la composición lipídica y proteica de los compartimentos mitocondriales. Explicar el acoplamiento quimiosmótico entre la cadena respiratoria y la síntesis de ATP mediada por la ATP sintasa. Identificar los intermediarios del ciclo de Krebs implicados en rutas biosintéticas anapleróticas citosólicas.

Argumentar las bases genéticas y citológicas que sustentan la teoría endosimbiótica mitocondrial. PIÉNSALO ANTES DE LEER 37 ¿Por qué las mitocondrias necesitan dos membranas con composiciones lipídicas radicalmente opuestas para generar energía? H O 2 2 H O 2 2 H O 2 O 2 Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 30 Ultraestructura y composición de los compartimentos mitocondriales Las mitocondrias son orgánulos ovoides delimitados por una doble membrana que miden entre 2 y 8 µm de longitud y de 0,5 a 1 µm de grosor.

Aparecen en prácticamente todas las células eucariotas (véase «Introducción — Teoría celular y organización procariota frente a eucariota»), salvo en eritrocitos maduros y ciertos protozoos. Se encargan de suministrar aproximadamente el 90 % de la energía celular en forma de trifosfato de adenosina (ATP). Los tejidos con mayor demanda energética presentan mayor densidad mitocondrial, siguiendo un gradiente decreciente desde el sistema nervioso central hacia el músculo cardíaco y el músculo esquelético. Diagrama de la ultraestructura mitocondrial con sus membranas, crestas, espacio intermembrana y matriz.

La morfología y el volumen mitocondrial se ajustan activamente a las necesidades fisiológicas: ante requerimientos elevados de energía, aumentan de tamaño y proliferan. A nivel estructural, se distinguen cuatro compartimentos: Membrana mitocondrial externa (MME): Presenta una proporción lipídica del 40 % frente a un 60 % de proteínas. Es muy permeable gracias a la abundancia de porinas, proteínas transmembrana que forman canales acuosos para la difusión facilitada. Contiene además citocromo b5 (responsable de la desaturación de ácidos grasos) y enzimas asociadas a la biosíntesis lipídica, como la acil-CoA sintetasa.

Espacio intermembrana: Presenta una disolución acuosa (80 % de agua) con solutos diversos (glúcidos, ácidos grasos e iones) y una alta concentración de protones. Alberga enzimas específicas como la adenilato quinasa (que cataliza ). Membrana mitocondrial interna (MMI): Es fuertemente impermeable, en particular hacia iones. Su superficie es unas cinco veces superior a la de la membrana externa debido a profundos pliegues denominados crestas mitocondriales, orientadas en ángulo perpendicular al eje mayor. Contiene un 80 % de proteínas y un 20 % de lípidos.

Carece por completo de colesterol y concentra grandes cantidades de cardiolipina, un fosfolípido especializado que estabiliza la cadena de transporte electrónico, reduce la permeabilidad iónica y favorece la traslocación de sustratos y ATP. Sobre sus crestas sobresalen complejos de ATP sintasa (u oxisomas), transportadores específicos y bombas de calcio encargadas de mantener bajos los niveles de Ca² citosólicos. Matriz mitocondrial: Espacio interior que alberga el complejo piruvato deshidrogenasa, las enzimas del ciclo de Krebs, sustratos metabólicos, ribosomas mitocondriales 70S y múltiples copias de material genético circular.

2 ADP ATP + AMP Biología Celular y Fundamentos de Genética: Apuntes 31 Compartimento Composición (% Lípidos / % Proteínas) Características clave Funciones principales Membrana externa 40 % lípidos / 60 % proteínas Contiene porinas y citocromo b5 Difusión facilitada de solutos y activación de ácidos grasos Espacio intermembrana Fase acuosa soluble Elevada concentración de Tráfico de intermediarios y fosforilación por adenilato quinasa Membrana interna 20 % lípidos / 80 % proteínas Rica en cardiolipina, carece de colesterol; crestas Transporte electrónico, bombeo de protones y síntesis de ATP Matriz mitocondrial Solución coloidal densa Enzimas solubles, ADNmt circular y ribosomas 70S Descarboxilación oxidativa, ciclo de Krebs y biosíntesis local COMPRUEBA 38 ¿Por qué la presencia de cardiolipina y la ausencia de colesterol son determinantes en la membrana mitocondrial interna?

Fosforilación oxidativa y bioenergética La respiración aeróbica degrada sustratos carbonados consumiendo oxígeno molecular ( ) para sintetizar ATP a través de cuatro etapas…