Una auténtica central energética en los seres vivos

En algunas entradas anteriores ya os he nombrado al ATP como moneda de intercambio de energía en los seres vivos, he explicado su naturaleza...Pero, ¿De dónde proviene este ATP? ¿Cómo se obtiene este ATP de los alimentos?

 

Durante la metabolización de los nutrientes hay reacciones que permiten la transferencia de grupos fosfatos al ADP y convertirlo en ATP. Pero gran parte del ATP se obtiene gracias a la cadena de transporte electrónico, y aquí es donde me gustaría centrarme y  contaros algo muy fascinante.

 

Un ejemplo de obtención de energía eléctrica en el caso de los humanos son las centrales térmicas. En estas centrales se realiza la combustión de carbón o petróleo para calentar agua y crear vapor que posteriormente hará girar unas turbinas conectadas a unos generadores que convertirán la energía térmica en mecánica y posteriormente en electricidad que llegará a cada uno de los enchufes de nuestras casas. En este caso la electricidad sería la moneda de intercanvio de energía común, como el caso de ATP en los organismos.

 

¿Por tanto poseen los organismos algún tipo de "central térmica "que transforme la energía que se obtiene de los alimentos en ATP? En efecto, las células eucariotas poseen varias "centrales térmicas" en su interior, y el concepto de funcionamiento es algo similar.

 

En el caso de las células estas centrales se llaman mitocondrias, y como las centrales poseen algo similar a los generadores, a esas turbinas de rotación impulsadas a vapor, el complejo ATP-sintasa, sólo que en lugar de vapor usa como impulsor de movimiento un gradiente de protones.

 

La ATP sintasa está situada en la membrana interna de las mitocondrias (también existen en los cloroplastos pero esto mejor para otra entrada)

Esta compuesta por dos complejos, el complejo F0 que es el complejo transmembrana y el complejo F1 situado mirando hacia la matriz mitocondrial.

Cada complejo esta formado por diferentes subunidades protéicas, en el complejo transmembrana se encuentra el canal para los protones, mientras que en el complejo F1 encontramos 5 tipos de subunidades a, b, g, d y e en donde se encuentran los tres sitios catalíticos, en concreto en las tres subunidades beta, en donde va a producirse la reacción ADP + Pi >>>>>>> ATP.

 

El mecanismo de funcionamiento es como el de un auténtico generador. Existe una diferencia de gradiente de protones entre el espacio intermembrana de la mitocondria y la matriz mitocondrial. Este gradiente provoca el paso de protones a través del complejo F0 de la ATP sintasa. Este paso de los protones provoca un giro de las subunidades c de la porción F0, este giro va a ser transmitido al eje gamma. Este eje interacciona con las subunidades catalíticas de la porción F1, produciendo cambios conformacionales en las subunidades proteicas disminuyendo la energía de activación de la reacción que transforma el ADP a ATP. Este mecanismo de la catálisis rotacional fue propuesto por Paul Boyer que fue Premio Nobel en 1997 gracias a este descubrimiento.

 

Por su puesto que este mecanismo no es tan simple como lo explico aquí, es mucho más complejo y tiene muchos más detalles, pero no creo que sea conveniente describir aquí todos esos detalles porque no llegarían a todos mis lectores, que no proceden todos del campo de la biología.

 

Aquí os dejo con un vídeo que permite entender mejor lo que he comentado en la entrada:

 

Neurotransmisores

Yo no sé si a vosotros, mis queridos lectores, os pasa como a mí. Cuando me detengo a pensar en la complejidad que debe existir en nuestro cerebro para poder realizar las acciones que realizamos día a día, para poder hacer lo que estoy haciendo yo ahora, razonar, y transmitir mis pensamientos por escrito a través de movimiento mediante órdenes efectuadas a neuronas motoras que activan los músculos de mis dedos para dirigirlos a las teclas correctas de mi ordenador, pero al mismo tiempo mis ojos leen lo que escribo y procesan las ondas que emite la pantalla y la transforman en información capaz de entender...

 

Pensemos por un momento en la estructura histológica y citológica de nuestro cerebro. Básicamente distinguimos dos grupos de células, las neuronas, encargadas de generar y transmitir el impulso nervioso a otras neuronas u órganos y las células de la glía, encargadas de mantener las complejas redes neuronales. Por ejemplo en la neuroglía encontramos los oligodendrocitos, que forman la vaina de mielina, o por ejemplo los astrocitos encargados de formar la barrera hematoencefálica.

 

 

Este pequeño conjunto de células relacionadas entre sí pueden dirigir nuestro comportamiento, nuestros sentimientos...nuestro propio ser.

 

La ciencia desconoce mucho acerca del funcionamiento de este tejido tan completo, muchos de los estudios se centran en estudiar la unidad funcional básica de todo sistema nervioso, la neurona, para posteriormente entender el conjunto.

 

Uno de los aspectos conocidos del funcionamiento de las neuronas es la forma de transmitir la información de una neurona a otra neurona, los llamados neurotransmisores.

 

Estos neurotransmisores participan en las llamadas sinápsis químicas, y tal y como indica en el proceso en que participan son sustancias químicas de diferente tipo de naturaleza que resumiendo emergen de la membrana del axón de una neurona y penetran en la membrana de las dendrita de la neurona siguiente en donde se sitúan los receptores de los neurotransmisores.

Encontramos neurotransmisores de naturalezas distintas, pero se clasifican básicamente en dos grandes grupos, los neuropéptidos, que cómo no podría ser de otra manera,son proteínas de 3 a 336 aminoácidos. Y los neurotransmisores de molécula pequeña, que son aminoácidos individuales como glutamato, GABA...Dentro de este grupo también encontramos las aminas biógenas, como la dopamina, noradrenalina, serotonina...

 

Muchos de estos neurotransmisores derivan de metabolitos procedentes del metabolismo de la glucosa, de ahí la importancia de los hidratos de carbono en nuestra dieta, y esto explica también que la base metabólica del tejido neuronal sea mayoritariamente la glucosa, ya que se necesitan precursores para la formación de neurotransmisores y permitir así el correcto funcionamiento del cerebro (¿Quién dijo que estudiando no se queman calorías?) Por supuesto cada neurotransmisor tiene su propio receptor y un grupo de funciones determinadas, pero no creo que este sea el momento ni el lugar de entrar en detalles, aunque no descarto una posible entrada del funcionamiento de algún neurotransmisor para que veáis la complejidad en el funcionamiento.

Poco a poco la ciencia conseguirá desvelar los secretos más inospitos de nuestro cerebro y desvelar la naturaleza de nuestro ser, eso que nosotros llamamos alma...

Patch clamping

Si, ya sé que domingo no suelo actualizar, también suelo publicar alguna entrada los sábados y este no lo he hecho. No obstante la entrada va a ser más bien breve.

 

Os voy ha hablar de una técnica con la que últimamente estoy más implicado.

 

Debido a que un canal iónico sencillo  normalmente se mantiene abierto durante unos pocos milisegundos, el seguimiento de este proceso está más allá del límite de la mayoría de las medidas bioquímicas de las que se disponen.

No obstante el flujo de iones puede ser medido eléctricamente, ya sea mediante cambios en voltaje o en intensidad utilizando microelectrodos y amplificadores adecuados.

 

Esta técnica fue desarrollada por Edwin Neher y Bert Sakmann en el año 1976. Mediante esta técnica se miden corrientes muy pequeñas a través de una pequeña región de membrana que contiene una o pocas moléculas de canal iónico.

Esto se consigue mediante micropipetas de vidrio y el electrodos muy pequeños y un osciloscopio.

Se presiona una micropipeta muy fina contra la superficie celular y la presión negativa en la pipeta se usa para formar un sello de presión entre la pipeta y la membrana.

Con detectores muy sensibles se puede medir la corriente.

Para ver la imagen más ampliada presionar encima.

¿Cómo se determina la estructura de una proteína?

Seguro que muchos de vosotros habéis visto fotos de estructuras tridimensionales de proteínas. Con sus hélices alfa y sus giros B. Estas estructuras representan la estructura auténtica de la proteína, ¿pero jamás os habéis preguntado como consiguen desvelar esta estructura?

 

Uno de los métodos más utilizados es la difracción de rayos X, el espaciado entre átomos de una red cristalina puede determinarse midiendo la localización y la intensidad de las manchas producidas en una película fotográfica por un haz de rayos X de longitud de una onda conocida al ser difractado por los electrones de los átomos.

 

Los métodos de difracción de rayos X también permiten estudiar el espaciado de diferentes tipos de átomos en moléculas orgánicas complejas, y entre estas moléculas se encuentran las proteínas.

 

La cantidad de información obtenida mediante cristalografía de rayos X depende del grado de orden estructural de la muestra. La obtención de información estructural tridimensional más detallada hace necesario partir de cristales de proteína altamente ordenados. Uno de los puntos más críticos en el análisis estructural es la cristalización de las proteínas.

 

Una vez obtenido el cristal se coloca en un haz de rayos X, entre la fuente de rayos X y el detector, y se genera un modelo regular de señales de difracción denominadas reflexiones. Las señales o puntos se generan por el haz de rayos X difractado y cada uno de los átomos de la molécula contribuye a cada uno de los puntos.

 

El patrón global de puntos va a dar lugar a la construcción de una mapa de densidad electrónica de la proteína mediante una herramienta matemática transformada de Fourier.

 

Después de procesar los datos con un computador se obtienen imágenes como éstas:

El mecanismo de la vida (II)

Como os introduje ayer en estas entradas estamos tratando la DNA polimerasa y explicamos el por qué de ese título.

Tal y como dije la DNA polimerasa es un enzima capaz de catalizar la misma reacción, la de formación del enlace fosfodiéster, hasta con cuatro sustratos diferentes y a demás con una tasa de error muy baja.

De los estudios de la estructura atómica de la DNA pol sugirió el mecanismo molecular por el cual funciona la DNA polimerasa.

 

Estructuralmente podríamos decir que la DNA polimerasa es similar a una mano a medio cerrar:

Según esta comparación podríamos decir que en la DNA polimerasa existen 3 dominios, el pulgar, los dedos y la palma de la mano.

El dominio de la palma está compuesto por una lámina beta y contiene los elementos primarios del sitio catalítico, es decir los elementos que van a formar el enlace fosfodiéster.

Esta región de la DNA polimerasa se une a dos iones metálicos divalentes para cambiar el entorno químico  alrededor del dNTP apareado correctamente y el OH3' del cebador. ¿Cómo? El ión metálico reduce la afinidad del OH3' por su hidrógeno  generando un extremo O-3' que permite realizar el ataque nucleofílico al fosfato alfa del dNTP entrante. Mientras tanto el segundo ión estabiliza las cargas negativas del pirofosfato producido.

 

Pero además esta zona verifica la precisión del apareamiento correcto de las bases para los nucleótidos añadidos más recientemente ya que si no existen los contactos específicos con esta región la orientación de los grupos no es la correcta y no se puede producir el ataque nucleofílico de forma correcta.

 

El dominio de los dedos también es importante durante la catálisis ya que contiene una serie de residuos aminoacidicos clave para la situación correcta del dNTP entrante, en concreto un resíduo de Arginina y uno de Lisina, ambos con carga positiva, que van a estabilizar las cargas negativas de los fosfatos del dNTP y una Tirosina que va a formar interacciones de apilamiento con la base nitrogenada del dNTP entrante. Finalmente la misión del pulgar es interaccionar con la cadena recién transcrita con dos propósitos, mantener la posición correcta del cebador y contribuir a la procesividad del enzima.

Para ver la animación pinchen sobre la imagen

Un auténtico máquina a nivel molecular y cuyo único ingeniero y creador ha sido la propia naturaleza.

Mecanismo de la vida

El objetivo de cualquier organismo es crecer, y llega un punto en que crecer no  es posible y la única forma de crecer, de perpetuar sus genes es la reproducción.

 

En el caso de las células la reproducción consiste en la bipartición, y previa bipartición tiene que haber una duplicación del DNA para que las dos células hijas posean la misma cantidad y el mismo DNA que la célula de procedencia (exceptuando la meiosis en donde sí que hay recombinación), de esta manera es posible perpetuar los genes.

No hace falta ser un lumbreras para entender que la duplicación del DNA sea lo más perfecta posible para que no se produzcan errores y perpetuar así con la mayor fidelidad posible los genes.

De esta tarea tan minuciosa se encarga la DNA polimerasa, que yo consideraría como el mecanismo de la vida.

Este enzima se encarga de catalizar la síntesis de DNA. A diferencia de otros enzimas que tienen un sitio activo con una función concreta la DNA polimerasa utiliza un sólo sitio de unión para catalizar la adición de cualquiera de los cuatro desoxiribonucleósidos trifosfato. Esto se consigue porque el centro activo de la DNA pol aprovecha la similitud geométrica casi idéntica de los pares de bases.

El centro activo del enzima es muy exigente topológicamente más que químicamente, sólo cuando se forma un par de bases correcto está el OH 3' del cebador y el fosfato alfa del nucleósido trifosfato en la posición concreta para que se produzca la reacción. Si no se alinean correctamente no se produce el ataque nucleofílico y no se forma el enlace fosfodiéster. La tasa de error es tremendamente baja, de alrededor de 10^-8. ¿Cómo lo consiguen y cómo catalizan esta reacción? Lo dejaremos para el próximo día...

Neurohistología

Después del descanso dominical sigo deleitándoos (o no) con mis entradas. Y esta vez voy a contaros en el nuevo camino que he emprendido hoy.

 

Como os conté estoy en el departamento de Bioquímica y Biología Molecular, y hoy emprendo un nuevo camino en el campo de la Neurohistología, sin abandonar la Biología Molecular por supuesto.

 

Nuestro organismo modelo es Podarcis hispanica la típica lagartija de campo. Se ha demostrado que hay homología entre el córtex cerebral de las lagartijas, en concreto la capa plexiforme y el hipocampo de los mamíferos, en cuanto a su estructura citológica, desde el punto de vista químico, a nivel de conectividad, ontogénesis y crecimiento postnatal.

 

Se está colaborando con el Hospital la Fé de Valencia para estudiar los efectos del alcohol en ciertas neuronas del hipocampo. Y hasta aquí puedo contaros...

Adicción!

En muchas ocasiones me he preguntado qué es lo que provoca que la gente siga fumando o bebiendo cuando la mayoría de veces aquello a los que se es adicto no le gusta a nadie. Por ejemplo, la primera cerveza no es para nada agradable, o el primer cigarrillo, ¿a quién le gusta tragarse humo? a nadie, sin embargo la gente sigue fumando y crea una dependencia al tabaco. Esto con respecto a las drogas socialmente "bien vistas" (por mi parte sinceramente no). Si pasamos al campo de las drogas duras como la cocaína, el hachís, las drogas sintéticas...la adicción se lleva al extremo.

 

Pero, ¿qué provoca esta adicción? La adicción es un transtorno persistente de la función encefálica en la cuál se desarrolla un consumo compulsivo de drogas a pesar de las serias consecuencias para el individuo afectado. Además este comportamiento no es exclusivo de los humanos, se puede demostrar en animales de laboratorio.

 

Por ejemplo la nicotina es un estimulante del sistema nervioso central. El consumo de nicotina produce cierto grado de euforia, relajación y finalmente adicción. Según se cree la nicotina produce efectos sobre nAChR (receptor colirgénico nicotínico). Son canales catiónicos no selectivos que generan respuestas postsinápticas excitadoras.

 

Cómo se genera la adicción es algo más complejo porque también intervienen factores psicológicos que van a combinarse con los factores neurológicos. Pero es evidente que se crea una dependencia que llega a provocar fuertes transtornos comportamentales en las personas que lo padece. ¿Hasta qué punto puede uno controlar el consumo de estas sustancias? ¿Realmente podemos tener control?

Testículos de rata

Ya en otra entrada os hablé de cómo se podía medir una estructura histológica a través de una foto de microscopía óptica, hoy vamos a hablar de algo parecido pero utilizando otro método para averiguar la medida.

 

El otro día estaba observado unos cortes del testículo de la rata, y me llamó mucho la atención que el diámetro de los tubos seminíferos era más o menos constantes, casi todos tenían un diámetro parecido. ¿Pero cuál era su diámetro real? Me puse manos a la obra e hice fotos de diferentes zonas del corte a 40 y a 100 aumentos (x4, x10). Y en lugar de utilizar una escala milimétrica para comparar los segmentos como hice la última vez decidí utilizar un programa informático llamado ImageJ 1.41f: Es totalmente gratuito y está disponible para todos los S.O.

 

Este programa, entre otras muchas aplicaciones, permite definir los parámetros utilizados en el microscopio, es decir, el número de aumentos utilizados, así como seleccionar el zoom utilizado en la cámara de fotos. En mi caso una simple cámara digital me permitió sacar estas fotos ayer:

 

 

 

 

En total 6 fotos a partir de las cuales he realizado las medidas, en total 100 medidas, para tener un muestreo aceptable. No obstante hay que tener en cuenta que las medidas se han realizado en un corte de testículo de un solo ratón, y que por tanto para que la medida media obtenida pudiese representar el estándar deberíamos analizar diferentes cortes y de diferentes ratones que hayan vivido en las mismas condiciones. No obstante es una aproximación ya que el resultado obtenido no es ni mucho menos contradictorio con lo que hay publicado en las bibliografías que he podido consultar.

 

 

Los datos están en micras (10^-6 m), aquí aparecen en una tabla todas las medidas realizadas y a continuación los datos estadísticos de dichas medidas tratadas mediante el software de estadística SPSS 14.0:

 

281,29 197,54 197,54 275,30 185,04 141,33 141,48 158,16 194,52 159,22 158,30 181,19 181,77 183,39 177,63 187,05 167,30 158,51 139,33 181,10 140,76 175,52 148,09 216,89 150,73 163,03 137,72 158,93 160,93 140,70 162,33 184,68 173,05 211,00 179,72 143,94 181,05 158,93 182,14 182,71 193,28 148,63 278,78 157,70 190,81 190,55 208,72 150,68 151,68 186,97 173,08 174,46 172,50 180,73 180,19 160,93 178,39 160,98 172,77 146,69 178,72 140,83 174,65 144,48 161,00 188,06 154,92 164,45 164,11 140,25 184,57 140,59 166,23 182,04 162,85 143,49 166,14 157,02 263,48 208,74 174,07 226,39 209,44 153,80 201,03 186,54 220,32 211,27 184,09 191,36 161,81 179,50 174,41 152,65 199,07 135,84 202,95  177,58   140,02  228,03

 

Estadísticos diámetro de los túbulos

N    Válidos	100
Perdidos	1
Media	176,5515
Error típ. de la media	2,96346
Mediana	174,4350
Desv. típ.	29,63461
Varianza	878,210
Asimetría	1,440
Error típ. de asimetría	,241
Curtosis	3,006
Error típ. de curtosis	,478
Rango	145,45
Mínimo	135,84

 

 

   Como vemos la media obtenida es de 176,55 micras, en la bibliografía dice que el diámetro de los túbulos seminíferos de rata es de unas 200 micras, por tanto parece ser que no nos hemos alejado demasiado.

     
Aquí tenéis otro ejemplo de como tratar los datos que nos proporcionan unas simples fotografías de microscopía óptica, eso sí para que los datos fuesen fiables, estadísticamente deberíamos medir el diámetro de diferentes individuos y comparar medias mediante nuevas fórmulas estadísticas.

¿De dónde obtienen la energía los seres vivos?

Durante las últimas entradas ha aparecido un término, ATP, que para muchos de los que seguís este blog, si estáis un poco metidos en el campo de la biología sabréis que ATP significa (adenosin trifosfato). Simplemente es una molécula de adenina con tres fosfatos unidos en 5' a través de la ribosa.

 

Las células obtienen la energía mediante reacciones químicas, la rotura de un enlace químico proporciona energía libre que posibilita la ejecución de otras reacciones posteriores, eso sí, actualmente está totalmente claro que los procesos biosintéticos no violan las leyes de la termodinámica.

Hay reacciones que sí que son favorables termodinamicamente y hay otras que necesitan un aporte extra de energía, por ejemplo, una acumulación de glucosa, de por sí no da lugar a glucógenos (que es un polímero de la glucosa) o un acumulo de ácidos nucleicos no da lugar a una hebra de DNA, se necesita energía extra para que se dé la reacción y esta energía la va a aportar la molécula de intercanvio de energía por excelencia en la célula, el ATP, del que antes hablábamos.

Las moléculas que ceden energía son termodinámicamente inestables. Hay una gran variación en la cantidad de energía libre que poseen las moléculas específicas. Esto es así porque las moléculas que se utilizan como moneda de intercambio de energía no poseen todos los enlaces covalentes con la misma energía de enlace. Como por ejemplo el enlace entre oxígeno e hidrógeno es bastante más fuerte que el enlace entre hidrógeno e hidrógeno, u oxígeno y oxígeno. Así, la formación de un enlace O-H a expensas de O-O o H-H liberará energía. Las consideraciones energéticas, por lo tanto, nos indican que una mezcla de oxígeno e hidrógeno de concentración suficiente se transformará en agua.

 

Otro aspecto interesante es que una molécula posee una energía libre mayor si se une por enlaces covalentes débiles que si lo hace por enlaces fuertes. Esta idea es casi paradójica a primera vista porque significa que cuando más fuerte es el enlace, menor es la cantidad de energía libre que puede ceder. No obstante esto cobra sentido cuando nos damos cuenta de que un átomo que formó un enlace muy fuerte ya perdió una gran cantidad de energía a la hora de formar el enlace, las mejores moléculas combustibles son las que contienen enlaces covalentes débiles y, por tanto, desde el punto de vista termodinámico son inestables.

 

Por ejemplo la glucosa es una molécula combustible excelente porque hay una gran disminución de energía libre cuando el oxígeno la oxida para generar dióxido de carbono y oxígeno.

 

La clave para que estas moléculas "ricoenergéticas" sean útiles deben tener otra característica que las hace útiles y es que para que se rompan estos enlaces se necesita mucha energía de activación, y esta energía de activación la van a proporcionar las proteínas, en concreto los enzimas, que rebajan la energía de activación de la reacción haciéndola termodinamicamente favorable. Esto evita que las moléculas rompan el enlace y liberen energía en cualquier situación y lo hagan cuando sea necesario y no espontáneamente.

Plegamiento de proteínas (IV)

Ayer estuvimos hablando de la estructura de GroEl y de los detalles de cada una de sus subunidades. Su funcionamiento no tiene ningún desperdicio.

 

El mecanismo funcional de GroEL y de GroES se podría resumir en cinco pasos:

 

1) Los residuos hidrofóbicos que recubren la cavidad de cada anillo de GroEL funcionan como un imán que une y reconoce todos los residuos hidrofóbicos que se encuentran a su alrededor y los une. Esta es una buena técnica para seleccionar las proteínas que se van a unir, porque si una proteína tiene los residuos hidrofóbicos en la parte externa quiere decir que no esta plegada correctamente ya que esta situación es desfavorable energéticamente. En estos casos GroEL tendría afinidad por este tipo de proteínas y se uniría a ellas.

2) El ATP se une a su sitio de unión en el dominio ecuatorial de monómero de GroEL. La unión desencadena cambios conformacionales en la chaperonina. Además existe cooperatividad positiva entre los monómeros de un mismo anillo y cooperatividad negativa entre las subunidades de los dos anillos, de manera que una vez que la molécula de ATP se une a un monómero de los anillos y desencadena la unión inmediata de moléculas de ATP a las otras seis subunidades del mismo anillo, se impide la unión de ATP a las siete subunidades del otro anillo. Como hemos descrito en la parte de estructura, la unión del ATP produce un cambio conformacional que permite la unión de la cochaperonina GroES.

 

3) La unión del ATP provoca una apertura de la cavidad dentro del anillo y, por otra parte, GroES sella la cavidad donde se va a producir el fenómeno más importante, el plegamiento de la proteína. Los residuos hidrofóbicos, que hasta ahora interaccionaban con el polipéptido, lo hacen ahora con el lazo desordenado de GroES. El cambio conformacional producido por la cochaperonina hace que todos los residuos hidrofóbicos y cargados, que se exponían en la superficie interior de la cavidad, cambien de posición y dirección y queden expuestos residuos hidrofílicos. Una vez el polipéptido ha sido encerrado en estas condiciones, libre de interacciones no deseadas que acechan en el exterior, y en una cavidad mucho más grande que en el momento de unión, a causa de los cambios conformacionales, el polipéptido ya puede intentar plegarse por sí mismo, utilizando la información codificada en su secuencia (estructura primaria).

 

4) Las moléculas de ATP unidas a todas las subunidades del anillo se hidrolizan. La hidrólisis del nucleótido, además de relajar la unión de GroES a GroEL en ese anillo, permite que otra molécula de GroES se una al segundo anillo, formando un complejo simétrico.

 

5) La formación del complejo simétrico no es muy estable, porque la unión de GroES al segundo anillo induce la liberación de la cochaperonina del primer anillo y la salida al exterior del polipéptido encerrado. El primer anillo está ya dispuesto para recibir otro polipéptido desnaturalizado que se encuentre en su entorno.

 

Si leemos detenidamente el mecanismo, podemos compararlo con un motor de dos tiempos, con un motor de dos cilindros (los dos anillos) en el que cada uno de ellos se encuentra en cada momento en posiciones diferentes del ciclo.

Mientras un anillo está liberando la cochaperonina y por tanto el polipéptido encerrado, el otro se está uniendo otra cochaperonina.

En este paralelismo con un motor de dos cilindros el ATP funcionaría como combustible, gracias al cual el ciclo se mantiene en funcionamiento indefinidamente.

Si observamos la siguiente gráfica vemos que el porcentaje de plegamiento de una proteína desnaturalizada aumenta al máximo en un medio en que esta presente GroEl + GroEs + ATP. Se comprueba que tan solo la presencia de estos tres factores permite el plegamiento de la proteína al 100%.

 

¿No os parece curioso que otras proteínas ayuden a plegarse a otras proteínas? Esta es una muestra de su elevado nivel de importancia en cualquier ser vivo.

Plegamiento de proteínas (III)

Después de un día de merecido descanso dominical seguimos donde lo dejamos.

Hablamos de las chaperonas, explicamos brevemente su ciclo y dejamos el tema de las chaperoninas para hoy.

Recordemos que las chaperoninas hace referencia a un tipo de chaperonas que aportan una cavidad, un espacio físico, en donde se puede producir el plegamiento de la proteína, aislada del entorno tan agreste y salvaje como es el citoplasma celular.

Son estructuras protéicas (y perdonen que me desvíe de la objetividad) IMPRESIONANTES, auténticas obras de nano-arquitectura creadas por la propia naturaleza, y si no fijaros en estas imágenes de la chaperonina GroEl:

 

Si pasáis el cursor por encima de la presentación una lente os ampliará el contenido.

Como veis esta estructura multiprotéica aporta un espacio en donde la proteína se puede plegar fuera del alcance de otras moléculas que haya "pululando" por el citosol. Hay que destacar que en las fotos aparece el complejo GroEl -GroEs. GroEs es la cochaperonina de GroEl, pero la estructura real de GroEl es la de la figura (a) y (b) que aparece en la foto con fondo blanco (recordad que podéis parar la presentación con el pause situado en la pare inferior izquierda)

 

Es una gran complejo multiprotéico pero compuesto por 14 subunidades, y todas ellas poseen un dominio ecuatorial, donde encontramos la mayoría de los aminoácidos responsables de la interacción con las subunidades del mismo anillo y todos los responsables de la interacción con las subunidades del otro anillo. Reside en ese dominio la zona de unión a una molécula de ATP que es decisiva para el mantenimiento del ciclo del funcionamiento de la chaperonina, el ATP se une a la tirosina que ocupa la posición 447. En la base de este dominio encontramos residuos cargados negativamente y residuos cargados positivamente que van a participar en la unión de los dos anillos que conforman el complejo GroEL.

 

Encontramos un segundo dominio, el apical, que forma el techo de la cavidad del anillo. En la boca de la cavidad se alojan una serie de aminoácidos hidrófobos que estarán implicados en la unión de la proteína que va a ser plegada, así como con la unión del GroES. Finalmente el tercer dominio pone en contacto el dominio ecuatorial con el apical y a modo de bisagra que permite los movimientos que se producen durante el ciclo de funcionamiento.

La siguiente imagen muestra la descripción de los tres dominios existentes en GroEL:

 

El conjunto de estas  subunidades forman el complejo que antes hemos visto en las imágenes de arriba. ¿Pero cómo funciona? Mejor lo dejamos para otro día ¿no?

Plegamiento de proteínas (II)

Bueno como os comentaba ayer los experimentos de Anfinsen se demostraron "in vitro", en un medio donde tan solo se encontraban en el medio las proteínas, ello facilitó el plegamiento de las proteínas por si solas, mediante la propia secuencia de aminoácidos, pero el citosol está lleno de moléculas que pueden interferir en el plegamiento y dar lugar a plegamientos incorrectos.

En las células hay una serie de proteínas que contribuyen al plegamiento. Estas proteínas son las carabinas moleculares.

Las carabinas moleculares se unen a la proteína naciente para evitar plegamientos incorrectos e interacciones con otras proteínas del medio intracelular.

Existen diferentes tipos de carabinas moleculares, pero básicamente se pueden clasificar en dos grupos, chaperonas y chaperoninas. A grandes rasgos y sin entrar en detalles, para no agobiar a los lectores del blog, se diferencian unas de otras en que las chaperoninas proporcionan una cavidad explícita para el plegamiento de las proteínas, mientras que las chaperonas no.

Ambas proteínas detectan  las proteínas mal plegadas, ¿cómo? muy fácil, la mayoría de las proteínas mal plegadas, por no decir todas, tienen resíduos hidrofóbicos hacia el citosol, cuando esto es termodinámicamente desfavorable en un medio altamente polar cimo es el citosol. Cuando detectan estos resíduos hidrofóbicos y se unen a ellos proporcionándoles tiempo para que se plieguen de forma correcta. Esto lo hacen sin gasto de ATP directo, sí que es cierto que lo usan pero es para realizar cambios conformacionales y facilitar el plegamiento. En el caso de las chaperoninas funcionan con el siguiente ciclo:

Imagen extraída de Principios de Bioquímica, LEHNINGER 4ªedición

En  este caso DnaK es la carabina molecular y DnaJ es la cochaperonina, que interviene en la hidrólisis del ATP a ADP y su intercambio de nuevo a ATP. Si después de este ciclo aún no se ha plegado se vuelve a unir otra DnaK y empieza el ciclo de nuevo hasta que esté plegada del todo.

 

Este es el caso de las chaperonas, pero nos falta comentar las chaperoninas, aquellas que proporcionan una cavidad para plegarse, pero esto lo dejaremos para el próximo día, así que...continuará...

Plegamiento de proteínas

Raro es que todavía no haya realizado ninguna entrada acerca de este tema porque es uno de los que más me apasiona. Podría hablar días y días acerca de este tema.

 

Las proteínas son unas macromoléculas compuestas por aminoácidos unidos entre sí por un enlace peptídico y que adoptan una disposición espacial concreta que está íntimamente ligada para su función. Si no se alcanza esta disposición de plegamiento la proteína no va a poder ejercer su función, si se trata de un enzima difícilmente va a poder catalizarse la reacción si no adopta esta estructura.

Durante los años 50 Christian Anfinsen demostró que el plegamiento de las proteínas en una estructura determinada viene predefinida por la secuencia de aminoácidos. Sobre todo el tercer nivel de plegamiento es en el que más participan los residuos de los aminoácidos que van a definir las disposición de toda la cadena.

 

Está estructuración está basada entre las interacciones de diferente naturaleza que se dan entre las cadenas laterales de estos resíduos y que son de diferente naturaleza, por ejemplo encontramos enlaces de tipo covalente entre resíduos de cisteína, o interacciones electroestáticas entre aminoácidos polares (con carga negativa o positiva) e interacciones hidrofóbicas entre resíduos apolares. Las interacciones van a darse de forma que la estructura global sea termodinámicamente favorable, y por tanto en un principio el plegamiento sería espontáneo a partir de la secuencia de aminoácidos, tal y como demostró Anfinsen.

No obstante los experimentos de Anfinsen se realizaron "in-vitro" es decir en un medio extracelular. Resumiendo el experimento consistió en desnaturalizar una proteína "in-vitro", quitó los agentes desnaturalizantes y posteriormente eliminó estos agentes y observó que la proteína había adoptado de nuevo la estructura inicial.

 

Pero como ya he dicho esto pasa "in-vitro" pero, ¿qué pasará "in-vivo"? En el citosol hay miles de moléculas diferentes que podrían interferir en el plegamiento de las proteínas. Pensemos por un momento en la traducción, es un proceso vectorial, la proteína va sintetizándose en el ribosoma, y a medida que van apareciendo los resíduos pordrían darse interacciones inoportunas con otras moléculas. 

 

¿Cómo solucionan este percance las células? Próximamente....

 

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De vuelta al laboratorio

En fin, después de una época infernal de exámenes he vuelto al laboratorio donde colaboro, en el laboratorio de Genómica de levaduras del departamento de Bioquímica y Biología Molecular de la Universidad de Valencia.

Durante todo el curso no he podido asistir todo lo que hubiese querido, y ahora puedo aprovechar un par de semanas para recuperar el tiempo.

 

En nuestro caso estamos realizando un estudio acerca de la regulación de la transcripción en eucariotas, en concreto de levaduras. En concreto estamos estudiando un conjunto de proteínas que se unen al RNA para estabilizarlo,  no se trata de un control a nivel transcripcional, es de tipo postranscripcional.

 

Este control permite una regulación rápida, ya que el RNA está presente en el citosol y la respuesta frente a una señal es mucho más rápida que si se tiene que transcribir el RNA. Parece ser que este mecanismo es utilizado por muchos más genes de los que se pensaban.

Los mecanismos de regulación son muy diversos y aún queda mucho por hacer, hay multitud de artículos relacionados con este aspecto y os animo a aquellos que me leáis a buscar el PubMed y páginas por el estilo este tipo de artículos.

Dulce, salado, ácido...

Por fin he terminado los exámenes y empiezo mis merecidas vacaciones. No obstante no pienso bajar la guardia y pienso seguir posteando. Y hoy me gustaría cerrar el grupo de posts acerca de histología hablando de aquellas estructuras que nos permiten disfrutar de la pitanza, de un mundo de sabores.

Estas estructuras son las conocidas como corpúsculos gustativos, situados a las papilas gustativas situados en el epitelio de la lengua. Son repliegues del epitelio que afectan a la epidermis y a la dermis tal y como vemos en estas imágenes que he obtenido a partir de un corte de lengua de conejo:

En esta imagen vemos las papilas gustativas (1), en este caso se trata de una papila de tipo foliada. En cada uno de los surcos que se ven en las papilas se sitúan los poros por donde desembocan las glándulas salivares (2), finalmente con el número 3 vemos marcada la zona donde se sitúan los corpúsculos:

Los corpúsculos gustativos se sitúan lateralmente en los surcos de las papilas gustativas (2). Hay 3 o 4 corpúsculos agrupados, cada corpúsculo (3) está constituido por cuatro tipos de células: las células basales, las células de sustentación (tipos I y II) y finalmente las sensoriales III. Cada corpúsculo tiene un poro (1) por el que entran las sustancias y activan ciertos puntos de las membranas de las células sensoriales disparando la respuesta de manera similar a la que un neurotransmisor lo hace entre neuronas. 

Una vez más células en perfecta armonía aportando una nueva función a nuestro organismo.

P.D: Si hacéis clik en las fotos se abrirá una nueva ventana con la foto en el tamaño original que permite apreciar mejor los detalles.

Atlas de histología

De nuevo sigo escaso de tiempo y es que estas últimas semanas después de 10 meses de trabajos, memorias, parciales, continuados y sin descanso son agotadores y te obligan a estar el doble de tiempo para entender algo que a principio de curso lograbas con leerlo un par de veces. Hoy tampoco me voy a extender demasiado.

 

Esta entrada va a ser bastante útil para aquellos estudiantes que estén cursando biología, o medicina y que tengan la asignatura de histología. En la mayoría de los casos los libros de histología son bastante caros, yo diría que desde unos 60€ aproximadamente, y en estos casos los estudiantes no podemos tirar de fotocopias porque las imágenes son esenciales para el estudio de esta asignatura, imágenes que se tienen que ver con toda claridad, y además si puede ser en color, cosa imposible en las típicas fotocopias de toda la vida.

 

No obstante, como dice mi padre, en internet hay de todo...en efecto, en internet también hay atlas de histología animal, y además muchos de ellos gratuitos. Con esto y con los apuntes que podáis tomar en clase tenéis material suficiente para aprobar la asignatura, lo demás ya depende de vosotros. Yo os voy a colgar el enlace de dos atlas en concreto, pero estoy seguro que navegando podréis encontrar muchos más.

Aquí os dejo los dos enlaces:

 

Atlas de la Universidad de Oviedo

 

Virtual Slidebox of Histology

 

Una auténtica depuradora en nuestro interior

Uno de los principales problemas de los organismos, durante la evolución, ha sido el desarrollo de mecanismos de eliminación de las toxinas resultantes del propio metabolismo, así como mantener la omeostásis en el medio intracelular. Para ello desarrollan mecanismos que filtran las sustancias del interior del organismo, en nuestro caso la sangre, y se absorbe aquello que puede tener una utilidad metabólica mientras que el resto es eliminado al exterior. Desde las esponjas o cnidarios con sistemas muy sencillos, pasando por los platelmintos, con los primeros protonefridios, o los metanefridios de los moluscos...llegamos a los riñones de los vertebrados. Auténticas centrales de depuración de sangre perfectamente organizadas.

 

El unidad de depuración de la sangre en el riñón es el nefrón o nefrona.

 

Cada nefrona está formada por el corpúsculo renal, que tiene un polo vascular por donde la arteriola deferente se divide en capilares que van a formar el glomérulo y a su vez van a envolver el sistema de tubos de la nefrona, formado por el tubo contorneado proximal, el asa de Henle y el tubo contorneado distal. En cada parte de este sistema van a darse diferentes fenómenos. Cada zona de este complejo está especializada en una función, pero esto es más complicado y tocaría explicarlo en un apartado de fisiología del aparato excretor.

 

Finalmente cada tubo distal desemboca en un tubo más grueso llamado tubo colector, que recolecta la orina producida en cada nefrona y la transporta hasta la pelvis renal donde es recogida y enviada a través de los uréteres hasta la vejiga urinaria.

La disposición de las nefronas en el riñón no es al azar. Si miramos macroscópicamente el riñón podemos diferenciar a simple vista dos zonas, la corteza y la médula. Pues bien, en la corteza se encuentran los corpúsculos renales, mientras que en la médula las asas de Henle y los tubos colectores, que desembocan en la pelvis renal.

Tengo las preparaciones microscópicas del riñón, pero no se ven muy bien, y no se distinguen muy bien los cortes por eso prefiero no colgar las fotos.

Curiosidades de la microbiología

Hoy ando un poco escaso de tiempo, ha sido un fin de semana poco productivo (académicamente) pero que he aprovechado para estar con los míos y descansar un ratito. Así que mi entrada de hoy no va a tratar de histología que es la temática que os prometí que mantendría hasta el examen de histología, y os voy a recomendar un blog que se llama como el título de mi entrada de hoy, Curiosidades de la microbiología. Un blog que vale la pena, sinceramente, sobre todo a los futuros biólogos ya que aparte de este blog tiene otros como uno de problemas de microbiología. Sé que ahora está un poco atareado por ser final de curso y esas cosas pero sus entradas valen la pena y están muy elaboradas.

Curiosidades de la microbiología

¿Cómo medimos el tamaño de las estructuras observadas en el microscopio?

Seguimos con histología, y en este caso diría yo que más que histología microscopía.

Seguro que alguna vez, cuando hablamos de que un folículo del tiroides mide 200 micras...pensáis ¿cómo son capaces de medir esto? Pues aquí os pongo un pdf de la medida de los folículos tiroideos. Teníamos que medir el diámetro de los folículos, y sacar un valor promedio, en este caso el tiroides era de rata.

Este trabajo lo realicé con mi compañera de trabajo Chantal Deruelle, ya que realizar 200 medidas no es fácil así que nos dividimos el trabajo y lo que queda aquí expuesto son los resultados obtenidos además de qué pasos seguimos para realizar las medidas. He de decir que el trabajo está escrito en valenciano y tal vez algunos de los lectores no puedan leerlo...espero cuando tenga más tiempo poder traducirlo. Para leerlo a pantalla completa haced clik sobre el botón de la esquina superior derecha.

 

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El tejido de la vida

Primero que todo dar las gracias a meneame.net por recomendar la entrada del "Síndrome del funcionario/butanero" a todos sus visitantes.

Seguimos con la temática histológica y qué mejor que hablar del tejido de la vida: el ovario. Muchos de vosotros pensaréis: - Sí vale, ¿pero y el espermatozoide qué?

Es cierto que el espermatozoide participa en la reproducción aportando el material genético para conformar un nuevo organismo diploide, además de los centriolos necesarios para la segunda división mitótica, pero nada más. Sin embargo el óvulo contiene todos los RNAs necesarios para el que se desenvolupe el nuevo organismo, sobre todo en la etapa de inicio. Los RNAs del oocito se activan en el momento de la fecundación transcribiendo los factores de transcripción necesarios para el inicio del desarrollo. Por tanto, en última instancia el inicio del crecimiento del zigoto no se da gracias al DNA de este, si no al de la madre, al del tejido germinativo de la madre. Además las mitocondrias que contienen cada una de las células de nuestro cuerpo (con algunas excepciones, como el cristalino) provienen de la madre, y no del padre. Por tanto el verdadero tejido de la vida es el ovario femenino, donde se forman los oocitos.

En este tejido podemos distinguir oocitos en diferentes etapas de desarrollo. Los más pequeños son los folículos primordiales, precursores de los siguientes y situados en la periferia del ovario, foliculos primarios, secundarios y finalmente el folículo de Graaf, que es el más maduro de todos.

Como en todos los tejidos hay diferentes células que lo componen, tenemos los propios oocitos, las células de la granulosa, de la teca interna y externa, así como tejido conjuntivo que rodea a las estructuras que contienen los oocitos conocidas como folículos o el propio tejido germinal situado en la periferia del ovario que da origen a los folículos primordiales en posteriores etapas de maduración.

Me hubiese gustado extenderme más con la explicación de los detalles y poner los nombres en las estructuras que aparecen en cada una de las fotos que he sacado hoy con el microscopio, pero ya sabéis que estoy en el sprint final y que hago un gran esfuerzo para actualizar todos los días, por eso os voy a poner las imágenes del ovario de rata para que las podáis ver y preguntarme si hay algo que os llama la atención, siento que la calidad de las fotos no sea muy buena pero es que uso una cámara convencional y me las apaño como puedo:

El intestino delgado

Ante la petición de mi compañero Emperador (que sepas que este es mi regalo de cumpleaños para los próximos 150 años, si es que sobrevives, y mi regalo de boda) he decidido hacer una entrada especial acerca de esta parte del tubo digestivo.

Todo el tubo digestivo tiene el mismo patrón en cuanto estructura histológica se refiere, desde el esófago hasta el intestino grueso, pasando por el estómago (el estómago se considera una parte del tubo digestivo ensanchada). En este caso he obtenido fotografías del yeyuno, que es la porción media del intestino delgado (es la única que tengo en mi colección de preparaciones).

La función básica del intestino delgado es la absorción de los nutrientes del  quilo (producto resultante de la digestión después de pasar por el estómago y recibir la bilis y los jugos pancreáticos). Las células que recubren el intestino son las encargadas de transportar desde la luz los nutrientes como los hidratos de carbono, proteínas y lípidos hacia el medio intracelular, y lo hacen mediante proteínas transportadoras de membrana, no creáis que el quilo pasa directamente a la sangre por los huecos que quedan entre las células. Esto es totalmente falso ya que entrarían multitud de agentes patógenos y la absorción no estaría regulada de ninguna manera. Además hay unas estructuras celulares entre las células prismáticas que componen el epitelio llamadas "tight junctions" que forman una barrera aislando el medio intracelular del extracelular, por tanto la absorción se va a producir tan sólo a través de estas células prismáticas.

Para optimizar esta absorción el organismo a optimizado al máximo el espacio disponible para tener la máxima superficie de absorción y encontramos diversos niveles de pliegues. En un primer nivel tenemos los pliegues propios del intestino, después el propio epitelio en el intestino está replegado, a otro nivel se encuentran  las vellosidades intestinales y finalmente las propias células tienen en la parte apical microvellosidades que solo son visibles en microscopía electrónica.

Las fotos que os voy a colgar son de microscopía óptica:

Foto realizada a partir de un corte del yeyuno a 400 aumentos

En la imagen de la parte superior se observan las vellosidades intestinales. Cada una de las células que recubren estas vellosidades con morfología prismática, mayoritariamente, son células absorbentes, pero tenemos algunas con el citoplasma más claro llamadas caliciformes. El núcleo de la microvellosidad está formado por tejido conjuntivo, con fibrocitos y plasmocitos con acción inmunitaria.

Estos pliegues son muy profundos y a 400 aumentos no se pueden apreciar bien por eso muestro otra imagen tomada a 100 aumentos:

 Imagen tomada a 100 aumentos desde el microscopio óptico del corte del yeyuno

Como se puede contemplar en la imagen el sistema de pliegues es bastante completo. Finalmente la capa circular externa por debajo de las vellosidades corresponde a músculo liso que va a contribuir en la circulación del quilo en su camino hacia el intestino grueso.

Histología, estudio de los tejidos que constituyen los seres vivos

Después de unos días hablando de reproducción animal cambiaremos un poco de tema, y pasaremos a la histología, organografía...La razón de seguir una temática concreta es que voy a razón de exámenes, ayer hice el de reproducción animal y el próximo, y último es el de Histología/Organografía. Después de los exámenes los temas serán alternos, supongo...y hablaré más de Biología molecular y Bioquímica.

 

Pienso que todo el mundo debería tener la oportunidad de ver, aunque sea en foto, preparaciones histológicas. Es fascinante ver la unidad mínima de la vida, las pequeñas piezas que construyen nuestro cuerpo, cada célula es una unidad vida independiente,se nutre, se relaciona, se reproduce...Ojo! esto no quiere decir que una célula de nuestro cuerpo pueda vivir sin problemas por si sola ya que somos individuos pluricelulares cuyas células están especializadas para trabajar en conjunto y se necesitan unas a otras para poder proseguir en el camino de la vida.

 

Como decía, ver un corte histológico es ver los elementos que nos componen. A simple vista puedes ver un riñón, pero si ves la preparación histológica de un riñón entiendes su funcionamiento y ves todas las piezas que lo forman. Al igual que el juego de construcción Lego el cuerpo humano posee diferentes piezas, diferentes células, que combinadas entre sí forman los tejidos, y que a su vez combinados entre sí van a formar estructuras y órganos.

 

Para ver un ejemplo de lo que estoy diciendo veremos una foto que he realizado con el microscopio a 400 aumentos del corte de una arteriola.

Lo que nos puede parecer un simple tubo homogéneo está compuesto por diferentes piezas agrupadas por capas con funciones totalmente distintas. Con el 1 tenemos marcada una célula endotelial. Este tipo celular recubre la superficie de todas los vasos sanguíneos de nuestros cuerpos, desde los de más calibre como las arterias o las venas principales, hasta los capilares.

Todo el sector circular que queda a la izquierda, donde se ven multitud de esferas irregulares es la luz de la arteria, lugar por donde circula la sangre, y esas esferas irregulares son los glóbulos rojos. En el número 2 aparece la lámina elástica, una capa de fibras elásticas que forman parte del tejido conjuntivo, presentan una forma sinuosa muy característica y su función es permitir la expansión del capilar durante el pulso cardíaco para que no se rompan por el incremento de presión. Con el 3 tenemos la capa de células musculares lisas, cada vesícula violeta que vemos en esta capa corresponde a un núcleo de este músculo liso, su función es contraerse y distendirse para mantener la circulación de la sangre. Finalmente en el 4 tenemos la túnica adventicia compuesta por tejido conjuntivo, y cuyas células predominantes son los fibrocitos, esta última capa es la que entra en contacto con los órganos adyacentes por los que pasa la arteria.

 

Un simple tubo, que tiene función conductora, tiene una estructura bastante compleja. Imaginad el resto de órganos de nuestro cuerpo...

Learning how to live together: genomic insights into prokariote animal simbiosis

Cuando escuchamos la palabra simbiosis pensamos en dos organismos, dos seres vivos, que comparten un ecosistema, o un mismo nicho ecológico y cuya presencia facilita la obtención de beneficios por ambas partes, es decir se obtiene un beneficio mutuo.

 

Si hablamos de simbiosis entre eucariotas y procariotas la definición propuesta en la parte superior se queda un poco corta. Los organismos procariotas tienen la capacidad de vivir en todas partes, incluso en los ambientes más extremo, como es el caso de Thermus aquaticus, capaz de sobrevivir en las fumarolas volcánicas y soportar temperaturas de hasta 90ºC, recordemos que la polimerasa de este procariota es la que se utiliza en los laboratorios de molecular y genética para la PCR (reacción de polimerización en cadena) y que nos permite amplificar el DNA mediante termocicladores, aumentando la temperatura para separar las hebras sin que la polimerasa se desnaturalice.

 

Por tanto no es difícil aceptar que si “casi” son poseedoras del “don de la ubicuidad” sean capaces de vivir dentro de otras células eucariotas y endosimbiontes de organismos superiores en la escala evolutiva.

 

El ejemplo de endosimbiosis más conocido es el que propuso Lynn Margulis a final de los años 60 en la teoría endosimbióntica. En ella proponía que el origen de las mitocondria y del cloroplasto era endosimbionte. Una simbiosis entre un procariota capaz de oxidar la materia orgánica, en el caso de la mitocondria, o de realizar la fotofosforilación oxidativa en el caso del cloroplasto. Esta simbiosis se produjo hace tantos millones de años que las relaciones entre ambas son tan estrechas que de alguna manera se ha “camuflado” cómo eran estas células antes de la simbiosis, pero no podemos dejar de lado muchas de las características que tienen en común las mitocondrias y los cloroplastos con otros procariotas, como es una doble membrana, DNA libre de núcleo e incluso se especula la posibilidad de que el origen de la bomba ATPasa situada en la matriz mitocondrial sea algún tipo de vestigio de los flagelos del procariota pre-simbionte.

 

Este es el ejemplo más conocido, pero nos sorprendería saber la cantidad de seres vivos que poseen simbiontes que permiten el aporte de nutrientes que el organismo no puede obtener por sí mismo de forma natural.

 

Los simbiontes se pueden clasificar, según la edad evolutiva estimada de la relación con el hospedador y el grado de dependencia que pueden tener, en endosimbiontes primarios y endosimbiontes secundarios.

 

Los primarios son fruto de una asociación antigua y especializada, entre 30 y 270 millones de años, con lo cual muchas de las relaciones simbióticas de los insectos son anteriores a la aparición de algunos grupos hoy dominantes. En estos casos como el periodo de asociación muy largo y la evolución de ambas especies ha sido dependiente aparecen numerosas alteraciones tanto en el genoma como en la estructura poblacional. Estos simbiontes son transmitidos generación tras generación por la vía vertical que casi siempre está mediada por la vía materna, tal y como ocurre con las mitocondrias en el caso de los eucariotas, que siempre son de origen materno, en nuestro caso las mitocondrias que poseen las células de nuestro cuerpo son de origen exclusivamente materno, ya que las mitocondrias situadas en el cuello del espermatozoide son degradadas y no forman parte del zigoto.

 

Un ejemplo de este tipo de asociación es el de γ-proteobacteria, que vive en asociación obligada con insectos aprovisionándolos de aminoácidos esenciales, vitaminas y cofactores que están ausentes en su dieta, además contribuyen al reciclaje del nitrógeno y los provisionan de factores metabólicos que son requeridos para la supervivencia y para la fertilidad. La mayoría de estos simbiontes son heterótrofos pero también se han encontrado quimicolitoautotróficos en el océano del genero Ruthia magnífica, oxida azufre y proporciona energía a su hospedador C. magnífica.

 

Los simbiontes secundarios, que a diferencia de los primarios, no son indispensables para la supervivencia del hospedador ni están restringidos a órganos especializados. Además estos pueden colonizar nuevas especies mediante la transmisión horizontal, es decir mediante el típico proceso infeccioso donde el simbionte se adquiere desde el ambiente externo.

En muchas ocasiones diversos endosimbiontes conviven en un mismo hospedador, y establecen complejas relaciones entre ellos. Uno de estos casos es el de la bacteria Buchnera aphidicola y Serratia symbiotica, que coexisten en el bacterioma (órgano formado por células que contienen las bacterias endosimbiontes) del áfido Cinara cedri, en este caso se ha visto que S. symbiotica por el tiempo acabará sustituyendo a B.aphidicola. Este ejemplo es uno de los posibles finales que puede tener la convivencia de dos endosimbiontes, que uno predomine sobre el otro y este desaparezca.

 

La otra opción es la que ocurre con Sulcia muelleri y Homalodisca coagulata, en el hospedador Baumania cicadellinicola. En este caso el análisis genómico ha demostrado que hay una serie de complementaciones metabólicas entre ambos simbiontes, de alguna manera se distribuyen el trabajo para aportar al hospedador los nutrientes que necesiten, ellos a cambio obtienen el beneficio de estar en un entorno estable como es el interior de un organismo, y no en un entorno cambiante y agresivo como es el medio externo.

 

Estas simbiosis dan lugar a que haya un conjunto de genes redundantes en las bacterias endosimbiontes. Es decir, genes que se repiten en el hospedador y la bacteria, o entre las bacterias y por ello va a darse una serie de cambios genómicos en la evolución del endosimbionte a partir de esta relación mutualista. La mayor parte de veces va a haber una reducción del genoma para optimizar al máximo los recursos, no tendría sentido poseer dos juegos de genes para metabolizar la glucosa, y por tanto el conjunto de genes dedicado a esta acción en la bacteria se pierde, además se van a acumular las mutaciones ya que la transmisión es por vía vertical. No todas las bacterias que posee el individuo parental van a pasar a la F1 por tanto se generan continuos cuellos de botella favoreciendo un flujo arbitrario genético de generación en generación. Otra característica es que en esta reducción del genoma se produce un incremento de la cantidad de adeninas y timinas en el genoma, a causa de la perdida de los genes de los mecanismos de reparación, recordemos que las bases nitrogenadas poseen. Recordemos que en ocasiones se pueden dar emparejamientos erróneos a causa de las formas tautoméricas de las bases nitrogenadas. Podemos tener emparejamientos C*-A o T-G*que si no son corregidos por los mecanismos pertinentes, por ejemplo MutL, MutS y MutH (etc) porque se han visto afectados por la reducción de genoma, pasaran de generación en generación, y esto explicaría el aumento de contenido en A-T del genoma. Se ha propuesto que la sobreexpresión de GroEl en B.aphidicola es causa del aumento de proteínas con dificultades para plegarse a causa de estas mutaciones AT. GroEl es una carabina molecular que interviene en el plegamiento postraduccional de aquellas proteínas que se han quedado “atascadas” en una conformación que no puede ser resuelta de forma espontánea y requiere de un apoyo para poder plegrase.

Imágen de la chaperonina GroEl

 

Para entender las reducciones que se han producido en el genoma es necesario comparar las secuencias de los simbiontes con el genoma de bacterias evolutivamente relacionadas y que sean de vida libre. Este análisis de comparación podría realizarse por ejemplo mediante chips de DNA. Podríamos coger el genoma de la bacteria de vida libre, extenderlo en un chip de DNA y posteriormente extraer el DNA de la bacteria endosimbionte y marcarlo radiactivamente. Una vez marcado hibridaríamos este DNA con el chip y cuantificaríamos la cantidad de radiactividad que ha incorporado, averiguando así la cantidad de genoma reducido. Después podrían secuenciarse esos genes marcados o averiguar el producto de esos genes para saber que funciones se han degradado en las bacterias a causa de la endosimbiosis. Lo que si se conoce es que la pedida masiva de genes ocurre cuando se establece una simbiosis de tipo obligado.

 

En un proceso de endosimbiosis ambos organismos deben adaptarse mutuamente y como ya hemos dicho por parte de la bacteria se pierden aquellos genes que ya no son necesarios en el nuevo entorno, pero sí que debe retener un conjunto de genes que le permita la supervivencia en el hospedador. Sin embargo todavía no se entiende a qué nivel genético puede afectar al hospedador la presencia de un endosimbionte, pero sí que se sabe que el hospedador se adapta al endosimbionte proporcionándole unas células específicas para que estas se sitúen y una modificación del sistema inmunitario para que no detecte estas bacterias como agentes patógenos. Además se ha dado a entender que estos bacteriocitos (células que contienen a las bacterias simbiontes) son un tipo más de célula del organismo hospedador y que no dependen de la presencia de las bacterias, ya que al eliminar mediante antibióticos los simbiontes se pudo ver que los bacteriocitos se conservaban y además se mantenían, por tanto evolutivamente los bacteriocitos representan un nuevo tipo celular.

 

Para analizar los mecanismos de respuesta inmunitaria se utilizan bacterias que todavía estén en fases tempranas de endosimbiosis como es el caso de los endosimbiontes del género Sitophilus, que expresa un peptidoglicano de reconocimiento homólogo a otra proteína de D.melanogaster, de esta manera el sistema inmunitario reconoce a la bacteria como propia.

 

Por tanto la simbiosis no es algo estático, sino dinámico. Los simbiontes y los hospedadores van adaptándose mutuamente entre sí y van cambiando progresivo, en la mayoría de casos en los que convive un endosimbionte primario, y otro secundario el secundario acabará sustituyendo el primario y se adaptarán el uno al otro sufriendo una evolución conjunta. Además el campo de la biología sintética se ha interesado mucho en los aspectos de la endosimbiosis por el interés que despierta el llamado genoma mínimo, ya que en muchos casos los endosimbiontes reducen su genoma hasta el punto que sólo conservan los genes que benefician de alguna manera al hospedador y los genes mínimos para la supervivencia de este. Una vez conocido este genoma mínimo se puede construir un cromosoma artificial, y por tanto un organismo, a partir del endosimbionte además de determinar qué genes son los necesarios para la perpetuación de este podemos averiguar que regiones del genoma actúan como reguladores y con qué grado porque un gen no incluye tan sólo el promotor basal, las secuencias codificantes y la región terminadora, incluye todos aquellos elementos que marcan su correcto funcionamiento, desde los genes que codifican las proteínas reguladoras, a los enhancers e incluso los RNAs pequeños. El estudio de este genoma mínimo nos va a permitir averiguar con un grado mayor de precisión el significado concreto de gen.

-¿Vasectomía? - No, gracias

Para concluir estos días dedicados a la reproducción voy a exponer algunos de los aspectos de un tipo de anticoncepción como es la vasectomía. Este tipo de anticoncepción es de tipo quirúrgico ya que para poder efectuarse hay que pasar por quirófano.

Muchos de vosotros sabréis en qué consiste, pero de todas formas voy a resumiros por encima la intervención.

Se realiza en el macho y consiste en interrumpir el vaso deferente mediante un corte. El vaso deferente comunica los tubos seminíferos situados en los testículos con la uretra por donde se va a efectuar la salida del semen. Hay un vaso deferente por testículo, de manera que se ha de interrumpir cada uno de estos conductos . Es un método bastante efectivo, pero hay que acudir a revisiones periódicas por si se forma por anastomosis algún tipo de "puente" y sí se permita el paso de los espermatozoides. Hay que dejar claro que el individuo seguirá eyaculando con total normalidad, la única diferencia es que el semen no contendrá espermatozoides. Hay que tener en cuenta que los espermatozoides van acompañados por otras sustancias que se generan en diferentes glándulas (Copwer, próstata...) cuyos conductos no han sido interrumpidos y siguen desembocando en la uretra, por tanto a simple vista el eyaculado es normal.

No obstante se trata de una operación totalmente irreversible, ya que es un conducto muy fino, hay zonas en que el epitelio es una monocapa de células, y es imposible de unir sin que colapse. A pesar de esto siempre se pueden extraer espermatozoides realizando una biopsia porque en "teoría" nuestros testículos van a seguir produciendo espermatozoides, tan sólo se ha cortado un conducto y nuestros niveles hormonales siguen siendo normales.

Bien, nos hemos hecho la vasectomía...¿Qué pasa con los espermatozoides que seguimos produciendo? El sistema reproductor masculino es un sistema ductal, de conductos, no obstante si uno de los conductos principales ha sido cerrado y la producción de espermatozoides sigue, es fácil de deducir que se va a producir un incremento de la presión en todo el sistema de conductos seminíferos, es cierto que la producción de espermatozoides disminuirá porque las células de Sértoli son capaces de regular la producción, pero esta no cesará del todo y se seguirá produciendo un aumento de presión. ¿En qué puede desembocar esto? En una destrucción y reabsorción de los tejidos, se ha comprobado que la vasectomía en ratones provoca la destrucción de los tubos seminíferos. La verdad es que hay muy poca información sobre los efectos de este método, y me pregunto si lo que pasa en las ratas ocurrirá en los humanos también, así que por muy bonita que nos la dibujen yo, al igual que mi profesor de reproducción animal, responderemos de la misma manera: - ¿Vasectomía? No, gracias.

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Este post va dedicado a mi compañero de habitación Emperador, que hoy ha terminado los exámenes y seguramente ya estará de vuelta en casita, gracias por los momentos frikis que hemos llegado a compartir en los largos días de estudio.