cuaderno de trabajo de biologia contemporanea

8/10/2019 Cuaderno de Trabajo de Biologia Contemporanea

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CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLOGICO AGROPECUARIO No. 64CUADERNO DE TRABAJO DE BIOLOGIA CONTEMPORANEA VI SEMESTRE 2015

1COMPILO: M.C. CÉSAR VÁZQUEZ CHACÓN

SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA

SUBSECRETARIA DE ESDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR

DIRECCIÒN GENERAL DE EDUCACIÓN

TECNOLÓGICA AGROPECUARIA

CENTRO DE BACHILLERATO TECNOLÓGICO

AGROPECUARIO No. 64

CUADERNO DE TRABAJO DE BIOLOGÍACONTEMPORANEA 2015

COMPILÓ: M.C. CÉSAR VÁZQUEZ CHACÓN

Titular del curso de Biología





ÍNDICEINTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................................... 1

Unidad I Bioquímica ................................................................................................................................................................... 3

1.1. Los bioelementos ................................................................................................................................................................ 3CLASIFICACIÓN DE LOS BIOLELEMENTOS ............................................................................................................................... 4

LA IDONEIDAD DEL CARBONO ................................................................................................................................................. 5

1..1.1. LA IMPORTANCIA DE OTROS BIOELEMENTOS .............................................................................................................. 6

1.1.2. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO ...................................................................................................................................... 8

1.1.3. El enlace químico de la materia viva ....................................................................................................................... 9

1.2. BIOMOLECULAS INORGÁNICAS Y ORGANICAS ......................................................................................................... 23

AGUA Y SALES MINERALES .................................................................................................................................................... 23

ÓSMOSIS Y PRESIÓN OSMÓTICA .......................................................................................................................................... 26

La diálisis. .............................................................................................................................................................................. 27

1.2.3. BIOMOLECULAS ORGÁNICAS ................................................................................................................................ 29

CARBOHIDRATOS .................................................................................................................................................................. 31

LÍPIDOS .................................................................................................................................................................................. 34

PROTEÍNAS ............................................................................................................................................................................ 36

MOLÉCULAS HECHAS DE NUCLEÓTIDOS ............................................................................................................................... 38

UNIDAD 2. ESTRUCTURA ...................................................................................................................................................... 40

2.1. CITOPLASMA ................................................................................................................................................................... 44

2.2. SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS ..................................................................................................................................... 53

El transporte vesicular .......................................................................................................................................................... 55

2.3. El nucleo ......................................................................................................................................................................... 66

Unidad 3. PROCESOS VITALES ............................................................................................................................................... 83

3.1. REPRODUCCIÓN ............................................................................................................................................................. 84

MITOSIS. ................................................................................................................................................................................ 85

Reproducción sexual ................................................................................................................................................................ 88

REPRODUCCIÓN ASEXUAL: MECANISMOS. .......................................................................................................................... 89

REPRODUCCIÓN SEXUAL. ...................................................................................................................................................... 90

TIPOS DE REPRODUCCIÓN SEXUAL. ...................................................................................................................................... 91

CICLOS DE VIDA: .................................................................................................................................................................... 92





MEIOSIS ................................................................................................................................................................................. 94

FASES DE LA MEIOSIS ........................................................................................................................................................... 95

3.2. Transporte ...................................................................................................................................................................... 101

Transporte independiente de proteínas ............................................................................................................................. 104

Clasificación de las proteínas transportadoras ................................................................................................................... 105Bioenergética del transporte mediado por Poros y Canales ........................................................................................................ 107

PROCESOS QUIMIOSMÓTICOS. ........................................................................................................................................... 122

Difusión simple .................................................................................................................................................................... 127

Ósmosis. Transporte de agua a través de la membrana plasmática .................................................................................. 129

Transporte activo ................................................................................................................................................................ 131

3.3. El ciclo celular ............................................................................................................................................................... 137

Regulación del ciclo celular ................................................................................................................................................. 139

3.4. NUTRICION .................................................................................................................................................................... 146

EL METABOLISMO: CONCEPTO ........................................................................................................................................... 146

CONSTITUCIÓN QUÍMICA DE LAS ENZIMA Y MODO DE ACTUACIÓN ................................................................................. 148

METABOLISMO: OBTENCIÓN DE ENERGÍA ......................................................................................................................... 151

LA FOTOSÍNTESIS:................................................................................................................................................................ 152

QUIMIOSÍNTESIS ................................................................................................................................................................. 161

LA GLUCOLISIS ..................................................................................................................................................................... 163

LA CADENA RESPIRATORIA. CONCEPTO Y OBJETIVOS ........................................................................................................ 167

3.5. Respiración ................................................................................................................................................................... 171

RESPIRACIÓN CELULAR ...................................................................................................................................................... 171

VÍAS ANAERÓBICAS............................................................................................................................................................. 175

Estructura de las Mitocondrias................................................................................................................................................. 177

CICLO DE KREBS............................................................................................................................................................. 179

HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA .............................................................................................................................................. 181

3.7. Excreción ........................................................................................................................................................................ 190

Biotransformación Fase I .................................................................................................................................................... 191

Biotransformación Fase II ................................................................................................................................................... 192

Unidad 4. Genética .............................................................................................................................................................. 194

ÁCIDOS NUCLÉICOS ............................................................................................................................................................ 194

Nucleótidos de importancia biológica ................................................................................................................................ 196





Polinucleótidos ...................................................................................................................................................................... 197

ADN – Ácido desoxirribonucleico ........................................................................................................................................ 198

Factores que estabilizan la doble hélice ............................................................................................................................. 202

ARN – Ácido ribonucleíco .................................................................................................................................................... 203

Proteínas ............................................................................................................................................................................. 205Aminoácidos esenciales ...................................................................................................................................................... 207

Estructura proteica ............................................................................................................................................................. 210

Desnaturalización de las proteínas ..................................................................................................................................... 214

4.2. SINTESIS DE PROTEINAS .............................................................................................................................................. 215

4.3. EL CÓDIGO GENÉTICO ............................................................................................................................................ 218

MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA. ................................................................................. 220

TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA .................................................................................................................. 222

4.4. REGULACIÓN DE LA ACCIÓN DE LOS GENES: HIPÓTESIS DEL OPERÓN .................................................................. 224

5.1. BIOTECNOLOGIA ........................................................................................................................................................... 228

TECNOLOGÍA DEL DNA RECOMBINANTE. ............................................................................................................................ 229

Enzimas de restricción. ....................................................................................................................................................... 231

Vectores .............................................................................................................................................................................. 234

Clonación en huéspedes eucarióticos ...................................................................................................................................... 245

Métodos de análisis de las secuencias clonadas. ...................................................................................................................... 248

Aplicaciones de la tecnología del DNA recombinante. ............................................................................................................... 252

6.2. bioetica ......................................................................................................................................................................... 255

Desarrollo histórico de la bioética ............................................................................................................................................ 255

Bibliografía ............................................................................................................................................................................ 259





INTRODUCCIÓN

La síntesis evolutiva moderna significa en general la integración de la teoría de la evolución de las especies por selección natural deCharles Darwin, la teoría genética de Gregor Mendel como base de la herencia biológica, la mutación genética aleatoria como fuentede variación y la genética de poblaciones matemática. Las figuras importantes en el desarrollo de la síntesis moderna incluyen aThomas Hunt Morgan, R. A. Fisher, Theodosius Dobzhansky, J.B.S. Haldane, Sewall Wright, William Donald Hamilton, CyriDarlington, Julian Huxley, Ernst Mayr, George Gaylord Simpson y G. Ledyard Stebbins.

Esencialmente, la síntesis moderna introdujo la conexión entre dos descubrimientos importantes: la unidad de la evolución (los genes)con el mecanismo de la evolución (la selección). También representa la unificación de varias ramas de la biología que anteriormentetenían poco en común, especialmente la genética, la citología, la sistemática, la botánica y la paleontología.

George John Romanes acuñó el término neodarwinismo para referirse a la teoría de la evolución escogida por Alfred RusseWallace et al . Wallace rechazaba la idea lamarquista de la herencia de caracteres adquiridos, algo que Darwin, Huxley et al nodescartaban. El "neodarwinista" más prominente de la época tras Darwin era August Weismann, que afirmaba que el materiahereditario, que él llamaba plasma germinal, se mantenía completamente separado del desarrollo del organismo. Sin embargo, lamayoría de los biólogos consideraba que era una posición extrema, y se discutieron alternativas como variaciones deneolamarckismo, la ortogénesis (evolución "progresiva") y el saltacionismo (evolución por "saltos" o mutaciones).

Charles Darwin, nacido hace 200 años, puso al hombre en su lugar al incluirlo en la larga historia de la evolución de las especies,desmintiendo la creencia de una creación divina y fundando la biología moderna, antes de ser recuperado con fines racistas oeugenistas.

El científico inglés, al igual que otros naturalistas que lo precedieron, encontró en los animales muchas características comunes y tratóde explicar el origen de las mismas. Quiso comprender, por ejemplo, por qué todos los que tienen pico tienen también plumas, o poqué todos los que tienen miembros tienen también vértebras.

Basándose en la geología, demostró que las especies evolucionaron a través de la selección natural, que favorece algunos rasgos(tamaño, color, forma...) o comportamientos de los organismos vivos en un medio ambiente dado.

Revelada en 1859 en "El origen de las especies", la teoría de Darwin causó escándalo entre quienes creían en la creación divina deespecies inmutables.

Hoy, la mayoría de los cristianos aceptan (exceptuando los llamados creacionistas) el principio científico de la evolución, pero el papedesempeñado por el azar en la aparición de las variaciones o de nuevas especies sigue siendo para muchos un escollo.

Cuando Darwin dio a conocer hace 150 años la ley más importante de la Evolución, no sabía nada de genes y genomas. Hoy, labiología molecular todavía investiga y amplía su labor con gran interés.En los tiempos de Darwin, la Biología se llamaba Historia de la Naturaleza, y los naturalistas no eran experimentadores, sinoobservadores. Merodeaban por bosques y campos, señalaban y anotaban datos interesantes. Hoy día, la Biología tiene lugarmayoritariamente en los laboratorios. En lugar de animales y plantas, se estudian genes y moléculas.

A través de la tecnología genética, los biólogos son capaces de cambiar los fundamentos de la naturaleza. Según los científicos, sDarwin viviera, se deleitaría; todo aquello que en su tiempo apenas pudo insinuar, hoy puede ser ampliamente investigado.

En 1900 se "redescubrió" la herencia mendeliana, y al principio se consideraba que apoyaba una forma de evolución por "saltos". Laescuela biométrica, encabezada por Karl Pearson y Walter Frank Raphael Weldon, se opuso vigorosamente a ella, diciendo que laevidencia empírica indicaba que la variación era continua en la mayoría de los organismos. La escuela mendeliana, encabezada porWilliam Bateson, contestaba que en algunos casos la evidencia mendeliana era indiscutible y que los trabajos futuros revelarían suveracidad general. El mendelismo fue adoptado por muchos biólogos, aunque todavía era muy rudimentario en sus inicios. Surelevancia en la evolución todavía se debatía acaloradamente.

El trabajo de T. H. Morgan con la mosca de la fruta Drosophila melanogaster proporcionó una conexión muy importante entre labiología experimental y la evolución, y también entre la genética mendeliana, la selección natural y le teoría cromosómica de la





herencia. En 1910, Morgan descubrió una mosca mutante con los ojos blancos (la Drosophila salvaje tiene los ojos rojos), y averiguóque esta condición —aunque aparecía solo en machos— se heredaba precisamente como un carácter recesivo mendeliano. En losaños siguientes, él y sus compañeros desarrollaron la teoría de la herencia mendeliana-cromosómica, y publicaron El mecanismo dela herencia mendeliana en 1915. En esa época, la mayoría de los biólogos aceptaba que los genes situados linealmente en loscromosomas eran el mecanismo de herencia principal, aunque seguía sin estar claro cómo podía ser esto compatible con la selecciónnatural y la evolución gradual. El trabajo de Morgan fue tan popular que se considera el sello de la genética clásica.

Fueron necesarios casi 100 años, hasta que en 1953, James Watson y Francis Crick presentaron la estructura molecular del ADN: ladoble hélice. Fue el comienzo de la Biología Molecular y la Tecnología Genética tal y como las conocemos hoy.Muchos científicos hablan de una revolución biológica. En realidad, no comenzó en 1953, sino mucho antes. ―Esta revolución empezó

hace 150 años, con Darwin‖, afirma el biólogo molecular Sean Carroll, ―y cambió nuestro panorama de la naturaleza. Nos hizo d arnoscuenta de que los seres humanos somos animales desarrollados en una historia de cambios mucho más vasta. Somos parte de laNaturaleza, y no estamos por encima de ella.‖

Una nueva era ha iniciado en este nuevo siglo, y, nuestro planeta ha presentado cambios tan radicales que gracias al conocimiento dela estructura de los ácidos nucléicos, se esclarecieron los mecanismos de transmisión de la información genética de generación ageneración, y también los mecanismos de expresión de esa información, la cual determina las propiedades y funciones de las célulaslos tejidos, los órganos y los organismos completos.

Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en la elucidación de los mecanismos de las reaccionesenzimáticas. Prácticamente todas las reacciones que integran el metabolismo son reacciones enzimáticas. El tipo de especie químicay los mecanismos de acción que intervienen en el almacenamiento, replicación y transferencia de la información genética, así comolas reacciones que forman el metabolismo son prácticamente idénticas, desde las bacterias hasta los organismos superiores. No todaslas células contienen y expresan la misma información, pero las reacciones que sí llevan a cabo, utilizan enzimas prácticamenteidénticas. De hecho las diferencias y similitudes entre ellas se han utilizado para establecer la secuencia de aparición de las especiesLos virus tienen algunas variantes, por ejemplo; los cromosomas de los retrovirus están constituidos por moléculas de ARN y enalgunos fagos (virus que atacan a las bacterias) tienen ADN de una sola cadena. Los virus no cuentan con un metabolismo que lespermita vivir en forma autónoma, sólo se pueden reproducir y expresarse dentro de las células que invaden.

Poniendo a un lado argumentaciones no científicas como los movimientos creacionistas, que niegan la evolución (tales como la teoría

del diseño inteligente); las críticas fundamentadas dentro del ambiente científico, plantean que la teoría sintética no explicasatisfactoriamente algunos procesos biológicos. Fenómenos como el de la transferencia genética horizontal entre los procariotasllevan a considerar un replanteamiento de algunas hipótesis o incluso la revisión completa del cuerpo conceptual de la evolución.

Sin embargo, el consenso de la comunidad científica los considera solo como desacuerdos y nuevas ideas sobre puntos específicos, yla teoría misma no ha sido rebatida en el campo de la biología, siendo comúnmente descrita como la "piedra angular de la biologíamoderna".

Un ejemplo más extremo y muy minoritario de estos llamados paradigmas es la visión llevada por Lynn Margulis, quien va más allá desu teoría de la simbiogénesis, para postular la teoría de que la simbiosis es la fuente principal de la variación heredada, mediante lacual se combinan genomas enteros. Sin embargo, a diferencia de su teoría sobre el origen de las células eucariotas, la teoría de LynnMargulis sobre la simbiosis entre microorganismos como importante fuerza de la evolución, no goza de popularidad dentro de la

comunidad científica por carecer de evidencia contundente a favor (no explicable por las hipótesis vigentes).





Unidad I Bioquímica

1.1. Los bioelementos

Se han identificado hasta 70 elementos químicos (casi todos los elementos estables excepto los gases nobles) que en cantidadesvariables, a veces infinitesimales, intervienen en la composición de los organismos; aunque no todos son esenciales para la totalidad

de los seres vivos.Se llaman elementos biogénicos porque a partir de ellos se forman las moléculas indispensables para la vida. A estas moléculas seles denomina biomoléculas o principios inmediatos.

Todos los bioelementos están incluidos en la tabla periódica, es decir, no existen elementos especiales o distintos a los que seencuentran en las moléculas que conforman la materia general del universo. No son, por tanto, elementos químicos exclusivos de losseres vivos.Naturalmente la composición de la Tierra marcó un límite sobre los elementos disponibles para formar la materia viva. Sin embargo,

los bioelementos mayoritarios no coinciden (salvo el oxígeno, O) con los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestreAsí como vemos en el siguiente esquema, mientras que el oxígeno (O), el silicio (Si), el aluminio (Al) y el hierro (Fe) son los elementosmás comunes en la composición del planeta, los bioelementos que se encuentran en mayor proporción en las moléculas biológicasson el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P), y el azufre (S).

Puesto que la vida surgió en el seno de los mares primitivos, muchos de los elementos químicos esenciales para la vida fueronseleccionados en función de dos parámetros:





1. Su comportamiento en el medio acuoso, si son solubles o no.2. La reactividad de los átomos y los tipos de enlaces que pueden establecer para construir las moléculas orgánicas.

Las propiedades más destacables de este grupo de átomos (C, H, O, N, P, S), elementos mayoritarios de las moléculasbiológicas son:

1. Los seis elementos tienen capas electrónicas externas incompletas. De este modo se pueden formar enlaces covalentesfácilmente y dar lugar a las biomoléculas que constituirán las estructuras biológicas y llevarán a cabo las funciones vitales.

2. Poseen un número atómico bajo, por lo que los electrones compartidos en la formación de los enlaces se hallan próximos anúcleo y las moléculas originadas son estables.

3. Dado que el O y el N son elementos bastante electronegativos, muchas biomoléculas son polares y por ello solubles en aguarequisito imprescindible para que tengan lugar las reacciones biológicas fundamentales de la actividad vital.

4. Los bioelementos mayoritarios pueden incorporarse fácilmente a los seres vivos desde el medio externo, ya que se encuentran enmoléculas (dióxido de carbono, CO2, agua, H2O, anión trioxonitrato (V) NO3-, etc) que pueden ser captadas de manera sencilla. Estehecho asegura el intercambio constante de materia entre los organismos vivos y su medio ambiente.

Estos seis elementos junto con una veintena más fueron elegidos como esenciales para los organismos vivos. Sus característicaspeculiares: tamaño, número de electrones, etc., los convirtieron entre otras muchas alternativas razonables, en los elementos idóneospara favorecer, por ejemplo, la estabilidad de las estructuras moleculares o mejorar el rendimiento de las reacciones metabólicas delas primitivas células.

CLASIFICACIÓN DE LOS BIOLELEMENTOS

De los más de 70 elementos descritos que se encuentran presente en los seres vivos, 25 de ellos son esenciales, el resto sóloaparece en determinados grupos. Según la proporción en que se encuentran en la materia viva se clasifican en:

ELEMENTOS BIOGÉNICOS PRIMARIOS O MAYORITARIOS. Forman el 99% de la materia viva. Seis de ellos, carbono(C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P), y azufre (S), constituyen los ladrillos de las moléculas.





BIOELEMENTOS SECUNDARIOS. Forman parte de todos los organismos vivos aunque se encuentran en una menor

proporción. Se incluyen en este grupo: magnesio (Mg), calcio (Ca), sodio (Na), potasio (K), y cloro (Cl) y desempeñanfunciones vitales en los organismos.

OLIGOELEMENTOS O ELEMENTOS VESTIGIALES. Encontrándose en proporciones inferiores al 0,1% (cantidades traza)estos elementos son imprescindibles, ya que desempeñan funciones esenciales en diferentes procesos bioquímicos y

fisiológicos, su carencia puede acarrear graves trastornos o incluso la muerte. Hasta completar los veinticinco son: hierro(Fe), manganeso (Mn), cobre (Cu), cinc (Zn), flúor (F), yodo (I), boro (B), silicio (Si), vanadio (V), cromo (Cr), cobalto(Co), selenio (Se), molibdeno (Mo), y estaño (Sn).

LA IDONEIDAD DEL CARBONO

Podemos considerar al carbono el bioelemento fundamental de la vida, imprescindible en la formación de las biomoléculas, de hechoen alguna película, se denomina a los seres terrestres ―unidades de carbono‖. Cabe preguntarse por qué fue elegido éste y no el silicioque es 146 veces más abundante en la corteza terrestre y presenta propiedades físicoquímicas semejantes (es un elementocarbonoide, ambos, C y Si, forman parte del mismo grupo o familia).

El carbono posee número atómico 6 y, por ello, su configuración electrónica es: ls2 2s2 2p2. En principio sólo dispone de dos

electrones desapareados, por lo que tendría valencia II. Sin embargo, desaparea un electrón del orbital 2s2

, que pasa a ocupar el 2pz.y posee de esta forma un máximo de electrones desapareados (ocupan los orbitales 2s' 2px' 2py,' 2pz'). Con ello adquiere valencia IVlo que le permitirá formar cuatro enlaces covalentes al aceptar compartir sus cuatro electrones con otros átomos.

Recuerda que al pasar un electrón del orbital 2s2 al 2pz se forman cuatro orbitales híbridos cuya disposición espacial, dirigidoshacia los cuatro vértices de un tetraedro confiere al átomo de carbono la posibilidad de formar enlaces covalentes simples, dobles otriples con otros átomos de carbono o con átomos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.

Los enlaces C-C permiten construir cadenas más o menos largas y anillos cíclicos, que constituyen los esqueletos para una variedadinmensa de moléculas orgánicas. Además, a causa de la configuración tetraédrica de sus enlaces, se pueden conseguir moléculasno planas con estructuras tridimensionales diferentes, que son de capital importancia en la función biológica que desempeñan, como,por ejemplo, la capacidad de los anticuerpos de unirse específicamente con determinados antígenos.

El silicio, aunque también posee valencia IV y puede formar cadenas, establece enlaces Si-Si, que son más débiles e inestables quelos enlaces de las cadenas carbonadas; y si bien las uniones con el oxígeno ... 0-Si-0-Si-0... son tremendamente resistentes, hasta tapunto que estos compuestos, llamados siliconas, resultan prácticamente inertes, esto tampoco interesa desde el punto de vistabiológico, pues los enlaces deben ser suficientemente enérgicos para construir moléculas resistentes, pero suficientemente débilespara que puedan romperse en las diferentes reacciones bioquímicas (recordemos que las células heterótrofas rompen losenlaces C-C de ciertas moléculas, mediante las reacciones de fermentación y respiración, para obtener la energía que se encuentraalmacenada en ellos). Los enlaces -C-H, C=0, -C-N , etc., permiten la aparición de una variedad de ―grupos funcionales(hidrocarburos, alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, aminas.) que presentan características físicas y químicas diferentesy aumentan enormemente las posibilidades de creación de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos; porejemplo, la reacción entre alcoholes y ácidos carboxílicos que forma ésteres.

Otra particularidad que conviene destacar es que el dióxido de carbono (CO2), compuesto de gran importancia biológica, esanormalmente estable, soluble en agua y permanece en estado gaseoso, condiciones indispensables para que pueda ser utilizado enla fotosíntesis.Sin embargo, el compuesto análogo que se forma con el silicio es la sílice (SiO 2), que es sólida, insoluble en agua y, por tanto, dedifícil captación por un sistema biológico que incorporase silicio en lugar de carbono en las condiciones ambientales de la Tierraprimitiva y con un mecanismo similar al fotosintético.





1..1.1. LA IMPORTANCIA DE OTROS BIOELEMENTOS

o EL HIDRÓGENO. Es el otro elemento que resulta indispensable para formar la materia orgánica. Ésta se define como lamateria constituida básicamente por el C y el H. Por ejemplo, algunos lípidos sólo están constituidos por C e H. El petróleo ysus derivados (butano, propano, octano, etc.) también están constituidos por C e H. Se les denomina hidrocarburos.

El petróleo es el producto de un proceso de carbonización, pérdida de oxígenos, a partir de grandes masas de planctonmarino que quedaron encerradas en mares someros fuera del contacto con el aire. El único electrón que posee el átomo de Hle permite formar un enlace con cualquiera de los otros biolementos primarios. Entre el H y el C se forma un enlace covalentelo suficientemente fuerte como para ser estable; pero no tanto como para impedir su rotura, y posibilitar así la síntesis deotras moléculas. Las que están formadas sólo por C e H son covalentes apolares (insolubles en agua).

o EL OXÍGENO. Es el bioelemento primario más electronegativo. Por ello cuando se enlaza con el H atrae hacia así el único

electrón del hidrógeno originándose polos eléctricos. Debido a esto, los radicales –OH, -CHO, y COOH son radicales polaresSi éstos sustituyen a algunos hidrógenos de una cadena de C e H, pueden dar lugar a moléculas como la glucosa (C6H12O6

que son solubles en líquidos polares como el agua.Debido a su electronegatividad el O es idóneo para quitar electrones a otros átomos, es decir, para oxidarlos. Como esteproceso comporta la rotura de enlaces y la liberación de una gran cantidad de energía, la reacción de los compuestos de C

con el O, la llamada respiración aerobia, es la forma más común de obtener energía.La oxidación de los compuestos biológicos se realiza básicamente mediante la sustracción de H de los átomos de CComo el O atrae hacia sí el electrón del H con más fuerza que el C, consigue quitárselo. De este modo se forma agua y selibera una gran cantidad de energía, que aprovechan los seres vivos. Como el átomo de C pasa de compartir por igual unelectrón con el H, a compartir en menor medida electrones con el O, experimenta una ―pérdida‖ de electrones, es decir seoxida:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O+ energía

o EL NITRÓGENO. Al igual que el C y el azufre (S), presenta una gran facilidad para formar compuestos tanto con el H (NH3)como con el O (NO3 -), lo cual le permite, en el paso de una forma a la otra, la liberación de energía. Principalmente seencuentraformando los grupos amino (-NH2) de los aminoácidos (moléculas que constituyen las proteínas) y las basesnitrogenadas, que son uno de los componentes de los ácidos nucleicos. Es de destacar que, pese a la gran abundancia degas N2 en la atmósfera, muy pocos organismos son capaces de aprovecharlo. Prácticamente todo el N es incorporado amundo vivo por las algas y las plantas, que lo absorben disuelto en forma de ion nitrato (NO3

-).

o EL AZUFRE. Básicamente se encuentra en forma de un radical sulfhidrilo (-SH) en determinados aminoácidos. Estosradicales permiten establecer entre dos aminoácidos próximos, unos enlaces covalentes fuertes denominados puentesdisulfuro (-S-S-) que mantienen la estructura de las proteínas.

o EL FÓSFORO. Este elemento permite establecer enlaces ricos en energía. Al romperse el enlace que une dos gruposfosfatos –PO3 --PO3

- -PO32- , generalmente de una molécula denominada ATP. Se libera al organismo la energía contenida

en dicho enlace, unos 7,3 kcal por mol de grupos fosfatos liberados.

En estos enlaces se almacena la energía liberada en otras reacciones, como las oxidaciones de la respiración antes citadaAdemás, el fósforo es muy importante porque interviene en la constitución de los ácidos nucléicos (ADN y ARN), de losfosfolípidos de la membrana plasmática y de los huesos de los vertebrados, y porque ayuda a mantener a la constante deacidez del medio interno del organismo.

o El calcio, en forma de carbonato (CaCO3), da lugar a los caparazones de moluscos y a los esqueletos de otros muchosanimales y, como ion (Ca2+), actúa en muchas reacciones, como los mecanismos de la contracción muscular, la

permeabilidad de las membranas celulares, la coagulación de la sangre, etc.





o El magnesio es un componente de muchas enzimas y del pigmento de la clorofila. También interviene en la síntesis ydegradación del ATP, en la replicación del ADN y en su estabilización, en la síntesis del ARN , etc.

o El sodio, el potasio y el cloro forman parte, como iones, de las sales minerales disueltas en el agua de los organismosIntervienen directamente en muchos procesos fisiológicos, como la transmisión del impulso nervioso, por ser losresponsables de la creación de los potenciales de membrana. En los vegetales regulan la apertura y cierre de los estomas.

El hierro se encuentra también ampliamente distribuido, pero los problemas relacionados con su biodisponibilidad son aúnmayores que en el caso del calcio. El hierro en forma hemo (tal como se encuentra en general en los alimentos de origenanimal) se absorbe con relativa facilidad, pero el hierro en forma inorgánica, no. Su absorción depende de la presencia en ladieta de otros componentes, que favorecen su captación, como es el ácido ascórbico (reduce el Fe3+ a Fe2+, mas soluble) ola dificultan, como el ácido oxálico. En conjunto, aunque los alimentos vegetales contienen bastante hierro no contienennunca demasiado y su baja biodisponibilidad hace que no sean buenas fuentes alimentarias de este mineral.

o El flúor forma parte del esmalte de los dientes, de los huesos y también aparece en la estructura de la piel, las glándulas,etc. Su carencia está relacionada con la aparición de caries.

o El cobalto es un componente de la vitamina B12, (cianocobalamida), necesaria para la síntesis de la hemoglobina y la

formación de los eritrocitos. Su carencia origina anemia.

o El silicio proporciona resistencia y elasticidad al tejido conjuntivo, cabello, piel, uñas, etc. En los cereales forma parte detallo (silicatos de calcio), y es muy abundante en el equiseto «cola de caballo».

o El aluminio actúa sobre el sistema nervioso central, aumenta la actividad cerebral y regula el sueño; favorece la osificación

de los cartílagos durante la etapa fetal e infantil y activa los mecanismos de oxidorreducción en el metabolismo.

o El cromo interviene junto con la insulina en el mantenimiento de la tolerancia normal a la glucosa. Su carencia en el aguapotable incide en el aumento de la diabetes juvenil. Protege de la arteriosclerosis y de las cardiopatías coronarlas.

o El litio es un estabilizador del estado de ánimo (se utiliza en el tratamiento de algunas psicosis maníaco-depresivas), pues

actúa sobre los neurotransmisores y la permeabilidad celular. Se ha comprobado que las poblaciones que consumen aguapotable con un contenido de litio de unos 10 g/litro son menos agresivas, y es menor el número de ingresos en hospitalespsiquiátricos y la frecuencia de comportamientos violentos.

Ya estudiamos que todos los seres vivos, y solo ellos, están hechos de células. En la introducción a la parte de Biología, tambiénvimos que las células, al igual que los seres inanimados, se componen de átomos y de moléculas. Además, dejamos establecido quelos procesos vitales se rigen por las mismas leyes que todos los procesos naturales, es decir, por las leyes de la física y de la química

El estudio de las moléculas que componen a los seres vivos incluye dos partes:

1. Una adquisición de algunas nociones elementales de química general tales como: El átomo (núcleo, electrones).

Los enlaces químicos (iónicos, covalentes polares y covalentes apolares). Diferencia entre moléculas polares y apolares; hidrofílicas e hidrofóbicas.

La molécula de agua y los puentes de hidrógeno. Las propiedades del agua significativas para la vida (elevado calor específico, elevado calor de vaporización, elevada tensión

superficial, capilaridad, capacidad para disolver sustancias y su menor densidad en estado sólido que en estado líquido) El concepto de reacción química (reacciones químicas de oxidoreducción) Los conceptos de pH y acidez.





2. La comprensión de las propiedades estructurales, funcionales y energéticas que hacen que las biomoléculas seantan importantes.

1.1.2. ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

En la corteza terrestre, la materia está compuesta por átomos (Figura inferior izquierda). El átomo es el límite de la división química

Cuando varios átomos (iguales o distintos) se unen entre sí, forman las moléculas (Figura inferior derecha). La molécula es la porciónmás pequeña de materia que conserva las propiedades químicas.

Si los átomos que forman una molécula son iguales entre sí las moléculas corresponden a un elemento o cuerposimple (O2). Si la molécula está formada por átomos distintos, se trata de un cuerpo compuesto (H2O).

La Figura inferior recoge algunos conceptos fundamentales

Los elementos que integran los seres vivos se llaman bioelementos o elementos biogenéticos.

Los átomos están formados por tres tipos de partículas subatómicas: los protones, los neutrones y los electrones. Las partículassubatómicas se caracterizan básicamente por su masa y por su carga:





Cada átomo está formado por:

un núcleo formado por protones y neutrones. Alberga la casi totalidad de su masa y tiene carga positiva.

una corteza, integrada por electrones de carga eléctrica negativa y masa cero.

1.1.3. El enlace químico de la materia viva ENLACE QUÍMICO

En condiciones terrestres, la mayor parte de los elementos rara vez existen como átomos aislados. El estado más generalizado es ede átomos enlazados. Por ej.: el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno y los halógenos, son moléculas diatómicas. El azufre amarillo y efósforo blanco existen como moléculas cuyas fórmulas son S 8 y P4 respectivamente. El carbono, en forma de diamante y grafito, ascomo el fósforo rojo, son macromoléculas compuestas por muchos átomos enlazados en una red. La mayoría de los elementosmetálicos, tales como el cobre y el potasio, están formados por innumerables átomos enlazados entre sí. Los gases nobles como ehelio y el argón, existen como átomos sin enlazar. A temperaturas superiores a 5000 C, la mayor parte de la materia está en unestado gaseoso monoatómico.

¿Cómo se combinan los átomos y cuáles son las fuerzas que los unen?. Estos interrogantes son fundamentales en el estudio de laquímica, pues los cambios químicos son esencialmente una alteración de los enlaces químicos. De los tres tipos de fuerzas deatracción: gravitacional, magnética y electrostática, sólo la electrostática es lo suficientemente intensa como para justificar las energíasde enlace observadas. Una de las claves de la comprensión de la fuerza del enlace químico, fue el descubrimiento de los gasesnobles y de su comportamiento químico relativamente inerte.Se sugirió que los átomos interactúan cambiando el número de electrones de tal forma que adquieren la estructura electrónica de ungas noble. Con excepción del helio, que tiene una configuración 1s2, cada gas noble tiene ocho electrones con una distribución s2p6 ensu nivel energético más elevado. La necesidad de ocho electrones da el nombre de regla del octeto a este concepto. No obstante, haymuchas excepciones a esta regla (existen elementos que no completan su octeto mientras que otros exceden su octeto) y hasta sehan logrado sintetizar algunos compuestos de los gases nobles.

Los enlaces químicos resultan de interacciones electrostáticas y se los clasifican en tres grandes grupos, e nlace iónico

enlace covalente y enlace metálico.

1) Enlace iónico: resulta de las interacciones electrostáticas entre iones de cargas opuestas.

2) Enlace covalente: es el resultado de compartir electrones entre dos átomos.

3) Enlace metálico: cada átomo está unido a varios átomos vecinos por electrones que son relativamente libres de moverse através de la estructura tridimensional.

Símbolos de Lewis: En estas secciones usaremos los símbolos de Lewis para representar los átomos. Estos símbolos estánformados por las letras que designan al elemento y puntos que representan a los electrones del nivel energético más elevado, ya queson generalmente esos los electrones que intervienen en los enlaces.

Este simbolismo es muy útil para los elementos representativos pero tiene muchas dificultades al usarse con los elementos detransición. En el enlace de los elementos de transición generalmente intervienen electrones de otros niveles además del últimoocupado.

Enlace iónico

El enlace iónico surge de las interacciones entre iones, que a menudo resulta de la transferencia neta de uno o máselectrones de un átomo o grupo de átomos a otro.





Cuando los átomos reaccionan por transferencia electrónica, el número de electrones ganados y perdidos debe coincidir, ecompuesto resultante es neutro. La formación de un enlace iónico es muy frecuente cuando un elemento metálico con una energía deionización baja, reacciona con un elemento no metálico, de alta afinidad electrónica. Prácticamente, hablaremos de enlaces iónicoscuando en un compuesto existan elementos de alta electronegatividad (no metales del extremo derecho superior de la tabla periódicaexcluyendo los gases nobles) y otros de baja electronegatividad (en general metales del extremo izquierdo), en otras palabras se trata

de elementos cuya diferencia de electronegatividad (EN) es grande, en general, mayor de 1,7.

Pasemos a considerar ahora el tipo de enlace que resulta cuando se forma bromuro de potasio a partir de sus elementosCuando un átomo de potasio K (número atómico 19) pierde 1 electrón, se convierte en ión potasio, K + , que tiene la mismaconfiguración del argón (número atómico 18), que es un gas noble. Cuando un átomo de bromo Br (número atómico 35), gana 1electrón se transforma en un ión bromuro Br - que tiene la misma configuración del gas noble Kriptón (número atómico 36). Los ionesasí formados se atraerán por fuerzas electrostáticas y el compuesto formado, KBr, se considera unido por un enlace iónico.

ENK= 0,9

ENBr = 2,8

EN= 1,9

Las estructuras de Lewis de las sustancias iónicas se representan colocando el símbolo del elemento entre corchetes y su carga porfuera arriba y a la derecha. En el caso de la sustancia citada anteriormente la representación es:

Propiedades de los compuestos iónicos

Los compuestos iónicos tienen como propiedad más representativa su capacidad para conducir la corriente eléctrica cuandoestán fundidos: conductores de segunda especie. Los ēestado sólido, no son conductores de la electricidad ya que los iones

solamente vibran en sus posiciones de equilibrio. Los compuestos iónicos presentan generalmente puntos de fusión y ebulliciónsuperiores a 500 C. Esta propiedad es consecuencia de la gran cantidad de energía calórica que se debe suministrar paracontrarrestar la gran intensidad de las fuerzas de atracción interiónicas. Usualmente los compuestos iónicos son quebradizos ycristalinos y están formados por un sinnúmero de iones positivos y negativos; es decir no existen las moléculas en las sustanciasiónicas sólidas.

Enlace iónico: sal. El enlace entre los átomos en la sal común(cloruro de sodio) es un típico enlace iónico. En el enlace quese forma, el sodio se transforma en catión (ion de cargapositiva) entregando su electrón de valencia al cloro, que seconvierte en anión (ion de carga negativa). Este intercambio deelectrones se refleja en la diferencia de tamaño entre los

átomos y iones (izquierda). Atraídos por fuerzas electrostáticas(derecha), los iones se organizan formando una red cristalinaen la que cada uno es fuertemente atraído hacia un grupo de‗vecinos próximos‘ de carga opuesta y, en menor medida,hacia todos los demás iones de carga opuesta a través de todoel cristal.





Enlace covalente

Un enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten uno o más pares de electrones.

El enlace covalente ocurre cuando la diferencia de electronegatividad de los átomos intervinientes, (EN) es menor a 1,7; estoocurre cuando se unen no metales entre sí o no metales con hidrógeno.

Los enlaces covalentes pueden clasificarse

a) Enlace covalente propiamentedicho:

a1) Enlace covalente simple

a2) Enlace covalente múltiple (doble otriple)

b)Enlace covalente dativo o coordinado

a) 2 átomos separados de H, cada uno con suelectrón.

b) Se forma una nube electrónica cuando secomparten los electrones.

c) Enlace ya formado, la nube electrónica es

altamente densa entre los núcleos a1) Enlace covalente simple:

El ejemplo más simple de este tipo de situación es la combinación de dos átomos de H para formar una molécula de H 2. Cada átomode H necesita un electrón para ser isoelectrónico con el átomo de He, por lo que una transferencia de electrones no puede satisfacerlos requerimientos de ambos átomos. En vez de esto, los dos átomos de hidrógeno comparten mutuamente sus electrones

El par compartido "pertenece" a ambos; se puede considerar que cada átomo de hidrógeno ha ganado un electrón y haadquirido la estructura del helio.

Este mecanismo de electrones compartidos constituye un enlace covalente, la presencia del cual se representa en lasestructuras de Lewis mediante un guión, H-H, o un par de puntos, H:H. Una vez que se ha formado el enlace covalente, los doselectrones enlazantes son atraídos por los dos núcleos, en vez de uno, y es por eso que el estado enlazado es más estable que el noenlazado.

a2) Enlaces covalentes múltiples:

Para satisfacer la regla del octeto y sus requerimientos de covalencia, es frecuente que dos átomos tengan que compartir más de unpar de electrones. Esto conduce al concepto de enlaces múltiples. Si los pares compartidos son dos, se obtiene un enlace doble; sison tres es un enlace triple.

Por ejemplo:

La molécula de oxígeno presenta un enlace doble. Este elemento posee 6 electrones en su último nivel, porpertenecer al grupo VIA (16), y para lograr los 8 electrones que exige la regla, cada átomo aporta 2 electrones al enlace, demodo que se comparten 4 electrones, es decir, 2 pares.





La molécula de nitrógeno posee un enlace triple. Este elemento posee cinco electrones en su último nivel -recordemos que setrata de un elemento del grupo

V (15)- y para lograr los ocho electrones que exige la regla, cada átomo aporta a la sociedad tres electrones, de modo quecomparten seis, es decir, tres pares:

En general, dentro de un mismo grupo de la tabla periódica, la capacidad de formación de enlaces múltiples, manteniendo unocteto de electrones, disminuye al aumentar el tamaño del átomo. Con muy pocas excepciones, tales como el S, sólo los átomos desegundo período, por ejemplo, C, N y O, pueden formar enlaces múltiples manteniendo ocho electrones.

El número de compuestos en los cuales el azufre forma enlaces múltiples es muy reducido, y esos enlaces son mucho másdébiles que los análogos del oxígeno.

Pasemos a considerar los efectos que pueden resultar en la estructura de las moléculas, la mayor o menor tendencia de sus átomos ala formación de enlaces múltiples. Compárense los óxidos de fórmulas empíricas CO2 y SiO2. Tanto el C como el Si pueden comparti

cuatro pares de electrones, pero los átomos de C forman enlaces múltiples en el CO2 y los del Si del SiO2 son simples.

Para el CO2 podemos escribir la estructura de Lewis

Lo que corresponde a la fórmula molecular CO2 que es idéntica a la empírica. Ahora consideremos SiO2. En ausencia de enlacesmúltiples, el Si comparte cuatro pares de electrones

y el oxígeno comparte dos pares de electrones por lo que se satisface:





Si empezáramos a escribir una fórmula estructural quepudiera satisfacer los dos requerimientos de compartir electrones,tendríamos que escribir hasta el infinito: la estructura no tiene fin.El dióxido de silicio, componente de las rocas y de la arena, es enefecto una red tridimensional de átomos enlazados en el espaciodenominada macromolécula, en la cual no pueden identificarsemoléculas individuales. Por consiguiente "SiO2 " es una fórmulaempírica (sólo indica la relación entre las cantidades de losátomos de Si y O) y no una molecular (en cuyo caso deberíarepresentar una partícula con la cantidad correcta de átomos decada elemento).

Representación espacial del SiO2 a) Enlaces covalentes coordinados o dativos

En las sustancias covalentes considerados previamente, cada átomo que tomaba parte de la formación de una unión, contribuíaal par compartido con un electrón; en ciertas circunstancias, ambos electrones son proporcionados por uno solo de los átomos. Launión resultante, se denomina covalencia coordinada dativa. Se la indica en las estructuras de las moléculas con una flecha que se

origina en el átomo que aporta los dos electrones al enlace. Esto es sólo a los efectos didácticos, ya que una vez establecido esteenlace, es indistinguible con un enlace formado por el aporte de un electrón por cada átomo. Por ej.: en el caso de la molécula del SO, cada uno de los átomos intervinientes posee 6 electrones externos. Para adquirir la configuración electrónica del gas noble máscercano, el S se une por un enlace covalente doble con uno de los átomos de O. Ambos átomos han logrado el octeto, pero esegundo átomo de O, aún no se ha unido a los anteriores. Lo hace mediante una covalencia dativa del azufre, ya que de otra manerael S superaría los 8 electrones al compartir nuevos pares con el segundo O.

Es importante insistir en que la unión coordinada -así como la distinción entre electrones de átomos diferentes- es sólo unmedio para lograr la estructura adecuada, pero una vez establecida la unión es indistinguible de la unión covalente común y no leconfiere a la molécula propiedades diferenciales respecto de ésta.

Estructuras de Lewis de los oxácidos, cuya fórmula general HxXyOz

Sea X un no metal, H Hidrógeno, O Oxígeno y x, y, z la cantidad de átomos de cada uno de estos elementos en la fórmulaquímica. Un mecanismo conveniente a seguir puede sintetizarse de la siguiente manera:

1) Colocar el no metal en el centro y rodearlo de tantos oxígenos como indica la fórmula. Cada átomo de Hidrógeno se coloca junto

a un Oxígeno.

2) Rodear a cada uno de los átomos intervinientes de sus electrones de valencia (del último nivel).

3) Establecer los enlaces. Es conveniente comenzar por las uniones H-O ya que solamente podrán formar un enlace covalentesimple entre estos átomos; a su vez, estos oxígenos ahora tendrán 7 electrones de valencia, pudiendo establecer solamenteenlaces simples con el átomo central. Por último, formar los enlaces con los oxígenos restantes, si es que los hay, medianteenlace covalente múltiple o dativos.





Ejemplo:

H3PO4

Con los aniones derivados de estas sustancias se trabaja de igual manera, teniendo en cuenta que las cargas negativas sedeben a electrones adicionales que se colocan uno en cada oxígeno. Intente realizar las representaciones de los siguientes aniones:H2PO4

- y HPO4

Enlaces covalentes polares y no polares

Otra manera de clasificar los enlaces covalentes es según su polaridad.

a) Enlace covalente apolar o no polar:

Entre átomos idénticos o diferentes pero de igual electronegatividad EN=0, los electrones se comparten de igual forma poambos. A este tipo de enlace se lo denomina enlace covalente apolar.

Podemos citar los ejemplos del Hidrógeno (visto en enlace covalente simple), oxígeno (enlace covalente doble), Nitrógeno (enlacecovalente triple) o PH3 ( 3 enlaces simples).

b) Enlace covalente polar

En cambio, si los dos átomos enlazados difieren como en el caso del H:Cl, o son idénticos, pero sus vecinos no lo son, como en ecaso de los dos átomos de C en H 3C CCl3 , los electrones no se comparten por igual: uno de los átomos (el más electronegativo)

atrae electrones con más fuerza que el otro. El átomo que ejerce la mayor atracción desarrolla una cierta carga negativa; el otroadquiere una cierta carga positiva. Estas cargas son inferiores a la unidad, -1 o +1 y se llaman cargas parciales, representadas como+ y -.

Así, dado que el cloro es más electronegativo que el hidrógeno, el cloruro de hidrógeno se representa:

Se dice, entonces, que estos enlaces covalentes son polares, para diferenciarlos de los enlaces Cl C

o H H que son no polares. El caso límite de desigualdad en los

electrones compartidos es el enlace iónico en los compuestos CsF,

NaCl o CaF2. Por lo tanto, el enlace covalente no polar y el enlace

iónico son casos extremos de la distribución de un par de electrones

entre dos núcleos. Entre estos dos extremos se encuentran situados los enlacescovalentes polares.

Enlace covalente

+ - ..

H Cl : ..





Carácter iónico de un enlace según la diferencia de electronegatividad de sus átomos.

Debido a la polaridad de los enlaces individuales, latotalidad de la molécula puede tener centros con cargas positiva ynegativa separados. Dicha molécula constituye entonces undipolo. La ilustración más simple de una molécula polar es:

El dipolo se simboliza por medio de dondela flecha apunta hacia el polo negativo. Las moléculas polaresposeen un momento dipolo,, que es el producto de la magnitudde la carga efectiva q, y la distancia d, entre los centros de cargasopuestas. = q x d

La unidad para es el debye (D) , llamado así en honor

de Peter Debye, quien fue uno de los primeros investigadores en

este campo. Como consecuencia del momento dipolo, lasmoléculas polares tienden a orientarse en un campo eléctrico con

los extremos positivos dirigidos hacia el polo negativo del campo,

y los negativos hacia el positivo. La orientación dista mucho de

ser perfecta debido al desorden que les impone la energía

cinética de las moléculas.

Orientación demoléculaspolares:

(a) sin campoeléctrico;

(b) con campoeléctrico

Las moléculas diatómicas con enlace covalente polar presentan, obviamente, momento dipolar no nulo. En el caso de las moléculastriatómicas, la presencia de enlaces polares no garantiza que la molécula sea polar. Lo mismo ocurrirá en moléculas con mayornúmero de átomos.

Diferencia deelectronegatividad

Carácteriónicoporcentual

Diferencia deelectronegatividad

Carácteriónicoporcentual

0,1 0,5 1,7 510,2 1 1,8 550,3 2 1,9 590,4 4 2,0 600,5 6 2,1 670,6 9 2,2 700,7 12 2,3 740,8 15 2,4 760,9 19 2,5 791,0 22 2,6 821,1 26 2,7 841,2 30 2,8 86

1,3 34 2,9 881,4 39 3 891,5 43 3,1 911,6 47 3,2 93





Ejemplificaremos mediante dos moléculas triatómicas:

El CO2 presenta enlaces C-O que son polares ya que los átomos tienen distinta electronegatividad; como la molécula eslineal (el ángulo OCO es 180° ) , los vectores momento dipolar generados por cada enlace resultan opuestos y ,debido a que son deigual magnitud, el momento dipolar resultante es cero. En cambio, la molécula de H2O es angular (el ángulo HOH es distinto de 180° )de modo que la composición de los dos vectores momento dipolar resulta en un momento dipolar no nulo (en rigor, bastante elevado).

En base al ejemplo anterior resulta clara la necesidad de conocer la geometría molecular para decidir si un compuesto que

presenta enlaces polares será polar o no. En realidad, debido a que existe la posibilidad de medir experimentalmente el momento

dipolar (o magnitudes derivadas de su presencia), se usa precisamente esa información para aportar datos sobre la geometría

molecular. De todos modos, existen teorías que permiten predecir en algunos casos la geometría molecular; las mismas exceden las

pretensiones de este libro.

Excepciones a la Regla del Octeto:

La regla del octeto se aplica sobre todo a elementos del segundo período. Sin embargo, en elementos pertenecientes atercer período en adelante puede producirse una "expansión del octeto". Esto es debido a que pueden ser utilizados en el enlace lossubniveles d.

Ejemplo: PCl5

En esta molécula cada uno de los 5 electrones d del P se une covalentemente a un átomo de Cl. En consecuencia, 10electrones rodearán al átomo central, pero se cumple el octeto para el cloro.

Propiedades de las sustancias covalentes

El enlace covalente se encuentra en dos tipos de estructuras:

a) Covalente molecular , son compuestos formados por moléculas perfectamente diferenciables. Los átomos de estas moléculas estánunidos por enlaces covalentes fuertes, pero las fuerzas entre las moléculas son débiles. Como resultado, las moléculas se puedenseparar fácilmente y debido a ello suelen ser gases, líquidos o sólidos que subliman o bien de punto de fusión y ebulliciónrelativamente bajos. En general no funden a temperaturas superiores a 300C o no hierven a más de 600C. Estos compuestos noconducen la corriente eléctrica.





b) Covalente macromolecular, ejemplificados por el cuarzo (SiO2) y el diamante (C). Consisten en grandes agregadostridimensionales de átomos enlazados por enlaces covalentes. Debido a la fuerza de estas atracciones suelen ser sólidos depunto de fusión y ebullición muy elevados. El SiO2 funde a 1700C y su punto de ebullición es de 2200C, en tanto que ediamante tiene un punto de fusión de 3500C y de ebullición de 4200C. Estos, en general, tampoco conducen la corrienteeléctrica.

Enlace metálico

En cualquier rama de la ciencia o de la ingeniería, nuestra capacidad para lograr avances va de la mano con nuestra comprensión delas propiedades fundamentales de los sistemas con los que trabajamos. Examinaremos ahora las propiedades que distinguen a losmetales para relacionar estas propiedades con un modelo de los enlaces metálicos.

Propiedades físicas de los metales

Los metales comparten ciertas similitudes que nos permiten clasificarlas como metálicas. Una superficie metálica reciente tiene unlustre característico. Además, los metales que podemos manipular con las manos desnudas producen una sensación fríacaracterística relacionada con su elevada conductividad térmica. Los metales tienen también una alta conductividad eléctrica; la

corriente eléctrica fluye fácilmente a través de ellos. El flujo de corriente se produce sin que haya desplazamiento de átomos dentro dela estructura metálica y se debe al flujo de electrones en el interior del metal. La conductividad térmica de un metal es por lo comúnparalela a su conductividad eléctrica. Por ejemplo, la plata y el cobre, que poseen las conductividades eléctricas más elevadas,también muestran las conductividades térmicas más altas. Esta observación sugiere que los dos tipos de conductividad tienen elmismo origen en los metales.

Casi todos los metales son maleables, lo que significa que se pueden martillar para formar hojas delgadas, y dúctiles, es decir, sepueden estirar para formar alambres. Estas propiedades indican que los átomos son capaces de deslizarse unos respecto de losotros. Los sólidos iónicos o los cristales de la mayoría de los compuestos covalentes no muestran este comportamiento. Esta clase desólidos son típicamente quebradizos y se fracturan con facilidad.

Casi todos los metales forman estructuras sólidas en las que los átomos están dispuestos como esferas empacadas de maneracompacta. El número de electrones de la capa de valencia disponibles para la formación de enlaces es insuficiente para que un átomoforme un enlace de par electrónico con cada uno de sus vecinos. Para que cada átomo comparta sus electrones enlazantes con todossus vecinos, estos electrones deben ser capaces de moverse de una región de enlace a otra.





Modelo de mar de electrones para los enlaces metálicos

Un modelo muy sencillo que explica alguna de las características más importantes de los metales es elmodelo de mar de electrones. En este modelo el metal se representa como un conjunto de cationes metálicosen un ―mar‖ de electrones de valencia.Los electrones deben estar confinados al metal por las atracciones electrostáticas hacia los cationes, y estándistribuidos de manera uniforme en toda la estructura. Sin embargo, los electrones son móviles y ningún

electrón en particular está confinado a un ión metálico específico. Cuando un alambre metálico se conecta alos bornes de una batería, los electrones fluyen a través del metal hacia el borne positivo y hacia el metaldesde la batería en el borne negativo. La alta conductividad térmica de los metales también se explica por lamovilidad de los electrones, la cuál permite transferir fácilmente la energía cinética por todo el sólido. Lacapacidad de deformación de los metales (maleabilidad y ductilidad) se puede explicar por el hecho de que losátomos metálicos se pueden mover sin que se rompan enlaces específicos. El material se adapta sin dificultadal cambio de posición de los átomos, producto de la nueva forma del metal, a través de una redistribución delos electrones.

No obstante, el modelo de mar de electrones no explica adecuadamente todas las propiedades. Por ejemplo,según el modelo la fuerza de los enlaces entre los átomos metálicos debería aumentar a medida que lo haceel número de electrones de valencia, con el consecuente incremento en el punto de fusión. en cambio, losmetales del grupo 6B (Cr, Mo, W), que están en el centro de los metales de transición, tienen los puntos defusión más altos en sus períodos respectivos. Los puntos de fusión a uno y otro lado del centro son más bajos,lo que implica que la fuerza de los enlaces metálicos aumenta primero al crecer el número de electrones y

luego disminuye. Se observan tendencias similares en otras propiedades físicas de los metales, como el calorde fusión, la dureza y el punto de ebullición.

Modelo de mar de electrones

Para explicar alguna de las propiedades físicas de los metales, necesitamos un modelo más refinado que el mar deelectrones para describir los enlaces metálicos. Se obtiene un mejor modelo aplicando los conceptos de la teoría de bandasa los metales.

Modelo de bandas para los metales

En un átomo aislado, los electrones posiblemente se mueven en un campoeléctrico uniforme que tiene su centro en el núcleo. Los electrones ocupanentonces ciertos niveles de energía definidos siendo los valores de la

energía los mismos para todos los átomos aislados. Sin embargo, cuando losátomos integran un sólido cristalino, los electrones se encuentran en uncampo eléctrico que no es uniforme, ya que varía periódicamente a través detoda la red. Resulta de ello que los niveles de energía electrónicos ya noestán nítidamente definidos, sino que son reemplazados por bandas deniveles muy próximos que pueden ser ocupados por los electrones (FiguraII.8). Dichas bandas, en general, están separadas por regiones de energíaprohibidas, aunque en algunos casos se puede producir la superposiciónentre bandas.En un cristal metálico, las bandas más bajas están llenas, es decir, todos losorbitales están ocupados, pero la banda más elevada, llamada banda deconducción sólo está ocupada parcialmente por los electrones "libres". Alaplicarse al metal un potencial eléctrico los electrones de una banda llena nopueden ser transferidos a otros niveles, ya que en esta banda no existenniveles vacantes. Los electrones que se encuentran en las proximidades delborde superior de la banda parcialmente llena pueden pasar a los niveles noocupados ligeramente superiores dentro de la misma banda. Puedenentonces moverse libremente de un átomo (o ion) a otro, haciéndose asíposible la conducción eléctrica.

Si las bandas electrónicas del sólido están completamente llenas, la sustancia es un aislador ya que no existen niveles no ocupadosdisponibles para los electrones. Este es el caso, por ejemplo, de numerosos sólidos no metálicos, como ser carbono (diamante),silicio, azufre, fósforo, etc., en los cuales cada átomo tiene completo su octeto electrónico formando uniones covalentes con todos susvecinos más cercanos. En principio, un aislador podría convertirse en conductor si uno (o más) de los electrones de la banda más





elevada pudiera ser expulsado, dejando así un nivel vacante en esta banda; al mismo tiempo, el electrón es llevado a una bandasuperior donde se dispone de muchos niveles vacantes. En general, se necesita una gran energía para provocar la transferenciaaludida de un electrón de una banda a otra, pero en algunos pocos casos es suficiente la energía de un fotón de luz visible o deradiación ultravioleta. Las sustancias de este tipo, como son el selenio y el germanio, se denominan fotoconductores.

Niveles de energía en (A) un conductor, (B) un aislador .

Los fotoconductores forman parte en realidad de un grupo más extenso de sustancias conocidas como semiconductores; las mismasson normalmente aisladores, pero pueden adquirir conductividad eléctrica, aunque en mucho menor escala que los metales, bajociertas circunstancias. En años recientes se ha despertado un considerable interés en sustancias para ser usadas como transitoresetc., que son conductores debido a la presencia de una pequeña cantidad de impurezas.

En los semiconductores, la banda de conducción cuenta con electrones queocasionalmente son promovidos a ella por excitación de las bandas más bajas.La zona prohibida es más estrecha que en el caso de los aislantes y, poconsiguiente, constituye una barrera menos difícil para dicha promoción. Estassustancias exhiben conductividades eléctricas bajas. Una elevación de latemperatura excita a los electrones a la banda de conducción. Esteenriquecimiento aumenta la conductividad eléctrica en mayor grado que la

disminución que provoca el aumento de vibración de los átomos. El resultadoneto es que la conductividad eléctrica de los semiconductores aumenta aelevarse la temperatura.

b) Superconductividad

Como podemos del conductor metálico disminuye su conductividad con latemperatura (o lo que es lo mismo aumenta su resistencia). Un semiconductoraumenta su conductividad con la temperatura (disminuye su resistencia). Unsuperconductor es una sustancia cuya resistencia es 0 (conductividad ) hastacierta temperatura, luego su resistencia se hace alta, por lo tanto disminuye su

conductividad.

FUERZAS INTERMOLECULARES

En las secciones anteriores se estudiaron las fuerzas de atracción entre átomos. Seconsiderarán ahora las fuerzas de atracción intermoleculares, es decir, las que actúan entremoléculas, iones y entre ambos. Estas fuerzas intermoleculares determinan si una sustanciaexistirá en forma gaseosa, líquida o sólida a cierta temperatura y presión.





II.- 1.- Fuerzas dipolo-dipolo

Las interacciones dipolo-dipolo permanentes, existen entre las moléculas covalentes polares, debido a la atracción de la zona dedensidad positiva de una molécula y la zona de densidad negativa de otra.

A mayor momento dipolar, mayores fuerzas, las que varían según 1/d4 siendo d la distancia intermolecular. Por lo tanto, estas fuerzasson efectivas solo a distancias cortas. En los líquidos, las moléculas polares son libres de moverse en relación con las demás; enalgunas ocasiones adoptan una orientación que es atractiva y en otras ocasiones una orientación que es repulsiva. Sin embargo, enpromedio resulta en una interacción atractiva entre las moléculas. Figura II.11: Las moléculas polares se atraen entre sí debido a la interacción de las cargas parciales de sus dipolos eléctricos

II.- 2.- Fuerzas ión – dipolo

Una fuerza ion - dipolo existe entre un ión y la carga parcial de signo opuesto del extremo de unamolécula polar .

Fuerza entre un catión o un anión y undipolo.

La energía de interacción, E, entre un ión y un dipolo, depende de la carga del ión, Q, y del momento dipolar, , y de la distancia, ddel centro del ión al punto medio del dipolo:

E Q/ d2

Las fuerzas ión-dipolo son especialmente importantes en disoluciones de sustancias iónicas en líquidos polares. Por ejemplo, en unadisolución acuosa de NaCl, los iones Na+ y Cl - se rodean de moléculas de agua actuando como un aislante eléctrico que mantiene a

los iones separados.

Fuerzas de ión-dipolo inducido

Un ion puede alterar la densidad electrónica de un átomo o una molécula no polar que seencuentra en su cercanía. La distribución electrónica del átomo se distorsiona por la atracciónejercida, si el ión es positivo o por la repulsión ejercida, si el ión es negativo, resultando laformación de un dipolo inducido.

Fuerzas ión - dipolo inducido

La fortaleza de la interacción también depende de la carga del ion y de la polarizabilidad de la molécula. Así, cuanto más esparcidaesté la nube electrónica en el volumen molecular mayor será su polarizabilidad.





II.- 4.- Fuerzas dipolo permanente- dipolo inducido

Semejante al caso anterior con la diferencia que la partícula inductora es unamolécula polar en lugar de un ion (Figura II.14). Estas fuerzas son sólo másimportantes que las dipolo instantáneo-dipolo inducido (London).

Fuerza ión – dipolo.

II.- 5.- Fuerzas puente de hidrógeno

El puente de hidrógeno se produce entre un átomo de hidrógeno de un enlace muy polarizado y un par de electrones no compartidosde un átomo muy electronegativo (F,O,N) de una molécula vecina.

El fluoruro de hidrógeno constituye un ejemplo importante de presencia de puentes de hidrógeno. En este caso, debido a la naturaleza

fuertemente electronegativa del flúor, los electrones de la unión pasarán la mayor parte del tiempo sobre el átomo de flúor, generandouna alta densidad de carga positiva sobre el hidrógeno y una alta densidad de carga negativa sobre el flúor. Esta carga negativa(prácticamente puntual ya que el átomo de flúor es pequeño) atrae al hidrógeno de una molécula vecina compartiendo con él uno desus pares libres. De este modo el puente de hidrógeno mantendrá unida a las dos moléculas; en realidad, éste enlace se extenderá aotras moléculas vecinas formando finalmente una cadena de moléculas como se ve en el esquema siguiente, en la que se hasimbolizado con ---- al puente de hidrógeno.

F H - - - - -F H - - - - - F H - - - - F H

Se puede mencionar aquí que los puentes de hidrógeno, aunque más fuertes que las atracciones dipolo-dipolo, son mucho másdébiles que los enlaces ordinarios, de modo que se rompen fácilmente cuando la temperatura se eleva, su valor está en el intervalo de15 a 20 KJ/mol.

Este enlace es responsable de los puntos de fusión y ebullición inusualmente altos de compuestos tales como el HF, el H2O y el NH3

en comparación con compuestos del hidrógeno con los otros elementos del grupo VII A (17), VI A (16) y V A (15) respectivamente.

Gráfico de Temperatura de ebullición vs. Peso molecular para sustancias con diferentes enlaces.





La diferencia de electronegatividad entre el hidrógeno y el carbono (grupo IV A) es pequeña y no hay pares de electrones nocompartidos sobre el carbono; por lo tanto, el CH4 no posee enlace de hidrógeno.

Discutiremos ahora cómo la formación de enlaces de hidrógeno similares explica las propiedades anormales del agua. En este caso,como hay dos átomos de hidrógeno unidos a cada átomo de oxígeno, y cada uno de éstos tiene dos pares de electrones aisladosdonde pueden adherirse los puentes de hidrógeno, es posible que cada molécula de agua esté rodeada por otras cuatro conectadascon la molécula central por puentes de hidrógeno. Esta estructura existe, en efecto, en el hielo, donde cada cristal está formadoprácticamente por una ―molécula‖ grande, ya que cada unidad H2O se encuentra unida a otras cuatro. Después de la fusión persiste lamisma estructura en gran parte en el agua líquida en la vecindad de 0º C, pero a medida que la temperatura se eleva se produce enparte la ruptura de los puentes de hidrógeno. No obstante, en el agua líquida, a temperaturas ordinarias, existe aún una complejidadconsiderable, puesto que en todo momento cada unidad H2O se halla unida por puentes de hidrógeno a otras dos o tres unidadesAunque probablemente hay un continuo intercambio entre las moléculas del líquido, es evidente que existen en el agua estructurasque comprenden un gran número de moléculas, aunque no definido. Como el oxígeno es menos electronegativo que el flúor, el vaporde agua consiste en moléculas simples, sin puentes de hidrógeno; eso mismo parece suceder en el amoníaco gaseoso.

Fuerzas deLondon

Fuerzas de London (dipolo instantáneo-dipolo inducido)Las fuerzas de London, surgen de la atracción entre dos dipolosinstantáneos. Los dipolos se generan debido a fluctuaciones en laubicación de los electrones en las moléculas. Aunque los dipolosinstantáneos cambian permanentemente de dirección, permanecen algúntiempo atraídos entre sí .

Todos los gases, incluyendo los elementos con moléculas no polares como O2, N2 y F2 , e incluso los gases nobles, que sonmonoatómicos, como el Ne y el He, pueden licuarse. Esto implica la existencia de cierta fuerza de atracción incluso entre estasmoléculas no polares. Puesto que estas sustancias tienen puntos de ebullición muy bajos, las fuerzas de atracción son algo débiles yen general, casi siempre más débiles que las fuerzas dipolo-dipolo. A estas fuerzas débiles se les llama fuerzas de London, y sonimportantes solo a distancias extremadamente cortas ya que varian según 1/d7.

En una molécula de He, los electrones se mueven a cierta distancia del núcleo, en cualquier instante puede darse que la moléculatenga un momento dipolar creado por las posiciones específicas de los electrones. Este momento dipolar se llama momentoinstantáneo porque solo dura una fracción pequeñísima de segundo; en el siguiente instante los electrones están en diferentesposiciones y la molécula tiene un nuevo dipolo instantáneo y así sucesivamente. Estos momentos dipolares inducidos hacen que lasmoléculas no polares se atraigan entre sí.

Experimentalmente se ha determinado que algunos gases nobles y moléculas no polares, revelan que el punto de ebullición aumentacon la polarizabilidad de la nube electrónica, esto puede verse, en el gráfico anterior donde se observa que en ausencia de enlace popuente de hidrógeno, los puntos de ebullición de sustancias análogas (CH4, SiH4, GeH4, SnH4) aumentan con regularidad aaumentar el tamaño molecular. Las fuerzas de London tienen lugar aún en caso de moléculas covalentes polares. La efectividadcreciente de estas fuerzas justifica el incremento de los puntos de ebullición en la secuencia HCl < HBr < HI y SH2 < H2Se < H2Te.

También esta relación depende de la forma de la molécula. Esta dependencia queda demostrada al comparar los puntos de ebullicióny fusión de dos sustancias de igual fórmula molecular, C5H12. Una de ellas puede considerarse como una cadena en zigzag y otracomo una esfera. El acercamiento lateral de dos moléculas es más efectivo para el que tiene forma en zigzag, así las fuerzas deLondon son más importantes y, por consiguiente, su punto de ebullición es 27 C más alto.





1.2. BIOMOLECULAS INORGÁNICAS Y ORGANICAS

1.2.1. Las biomoléculas inorgánicas.

AGUA Y SALES MINERALES

EL AGUAEl agua, una molécula simple y extraña, puede ser considerada con razóncomo el líquido de la vida. Es la sustancia más abundante en la biosfera, conun contenido total estimado en unos 1.500 krn3, repartidos entre sus tresestados: agua líquida en los mares, océanos, lagos y ríos, que constituye e97 por 100 del total de agua; y el 3 por 100 restante repartido entre el aguasólida de los casquetes polares y los glaciares y el vapor de agua de laatmósfera. También es el componente mayoritario de los seres vivos, puesentre el 65 y 95 por 100 del peso de la mayor parte de las formas vivas esagua.

El agua no fue sólo el mero soporte donde surgió la vida, sino que, con toda probabilidad, susmoléculas participaron activamente en las reacciones químicas que formaron agregados máscomplejos a partir de moléculas orgánicas sencillas. A pesar de su gran abundancia, el agua noes un compuesto químico corriente y, aunque parece un líquido inerte, manifiesta granreaccionabilidad; sus extraordinarias propiedades físicas y químicas, que la convierten en unasustancia diferente a la mayoría de los líquidos corrientes, son también responsables de suimportancia biológica. Del mismo modo que la configuración electrónica del carbono fueresponsable de su idoneidad para formar parte de los compuestos orgánicos y justificó suselección como elemento fundamental de la materia viva, las propiedades fisico-químicas deagua también determinan su función biológica y justifican la importancia del ambiente acuosoen la aparición y mantenimiento de la vida sobre la Tierra.

Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente acuoso y handesarrollado sistemas que les permiten aprovechar las inusitadas propiedades del agua.

ESTRUCTURA DEL AGUA

La disposición tetraédrica de los orbitales,sp3 del oxígeno determina un ángulo entre losenlaces H - 0 - H aproximadamente de 104,5º; además, el oxígeno es más electronegativo queel hidrógeno, y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.

El resultado es que la molécula de agua, aunque tiene una carga total neutra (posee el mismonúmero de protones y de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo

que la convierte en una molécula polar : alrededor del oxígeno se concentra una densidad decarga negativa ( -), mientras los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistosparcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva ( +). El marcado carácter dipolar de lasmoléculas de agua permite que se produzcan interacciones con otras moléculas polares o con iones cargados eléctricamente. Seestablecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, que pertenecen a un tipo de uniones electrostáticasdenominadas enlaces o puentes de hidrógeno: la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostáticasobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.La configuración electrónica del oxígeno es 1s2 2s2 2p4, de tal forma que entre el orbital 2s y los tres orbitales 2p se puedenformar cuatro orbitales híbridos sp3 orientados tetraédricamente. En la molécula de agua el átomo de oxígeno forma dos





enlaces covalentes con dos átomos de hidrógeno, solapándose dos orbitales sp3 del oxígeno con los orbitales 1s de cadahidrógeno, de manera que en cada enlace se comparten dos electrones (uno de cada átomo)

Aunque son uniones débiles (aproximadamente 1/20 más débiles que los enlaces covalentes), el hecho de que alrededor de cadamolécula de agua se dispongan otras cuatro moléculas unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida osólida) una estructura de tipo reticular, responsable, en gran parte, de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de suspropiedades fisicoquímicas.

PROPIEDADES FÍSICOQUÍMICAS Y FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA

ACCIÓN DISOLVENTE. El agua es el líquido que más sustancias disuelve, lo que le ha valido el calificativo de disolventeuniversal.

Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formar puentes de hidrógenocon otras sustancias polares (grupos -OH de alcoholes y azúcares, grupos –NH2 de aminoácidos, proteínas, ácidosnucleicos, etc.), pues se disuelven cuando interaccionan con las moléculas polares del agua.En el agua también se disuelven compuestos iónicos, como ciertas sales cristalizadas, pues los iones son atraídosfuertemente por los dipolos del agua, formándose una capa de hidratación o solvatación alrededor de cada uno deellos que logra debilitar la atracción electrostática interiónica, hasta llegar al desmoronamiento de la red cristalinaque los mantenía en estado sólido; la ruptura de los enlaces iónicos provoca que los iones pasen de la red a la

disolución en forma de iones hidratados.

La capacidad disolvente es responsable de dos importantes funciones que el agua posee en los seres vivos:

1. Es el medio donde transcurre la mayoría de las reacciones del metabolismo , pues el requisitoindispensable para que dos sustancias reaccionen es que se encuentren disueltas en el mismo medio y puedaninteraccionar.

El protoplasma celular es fundamentalmente acuoso y las actividades metabólicas, responsables de la vida celulardependen casi todas ellas de las sustancias disueltas o en suspensión que contiene. Muchas de las propiedades degran importancia biológica que presentan las proteínas, los ácidos nucléicos y otras macromoléculas proceden desus interacciones con el medio acuoso que las rodea.

2. El aporte de nutrientes y la eliminación de los productos de desecho se realizan a través de sistemas detransporte acuosos (la sangre en los animales y la savia en las plantas) donde se disuelven previamente todasestas sustancias.

ELEVADA FUERZA DE COHESIÓN ENTRE LAS MOLÉCULAS

Los puentes de hidrógeno mantienen a las moléculas de agua fuertemente unidas,formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible.Al no poder comprimirse llega a actuar como esqueleto hidrostático en algunosanimales como, por ejemplo, ciertos gusanos perforadores que son capaces de agujerea

la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos; del mismo modo permitela turgencia en las plantas.





ELEVADA FUERZA DE ADHESIÓN

Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua yotras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión, del llamado fenómeno de la capilaridad.

GRAN CALOR ESPECÍFICOSe denomina calor específico a la capacidad de almacenar energía para un aumento determinado de la temperaturael agua puede absorber grandes cantidades de calor, mientras que, proporcionalmente, su temperatura sólo se elevaligeramente. Del mismo modo, su temperatura desciende con más lentitud que la de otros líquidos a medida que valiberando energía al enfriarse.Esta propiedad permite que el protoplasma acuoso sirva de protección a las sensibles moléculas orgánicas ante loscambios bruscos de temperatura por actuar como un tampón térmico que mantie ne la temperatura del organismorelativamente constante a pesar de las variaciones de la temperatura externa.También gracias a la conductividad térmica del agua, el calor que se desprende en los procesos metabólicos no seacumula en los lugares donde se produce, sino que se difunde en el medio acuoso y se disipa finalmente hacia elmedio externo.

ELEVADO CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN

A 20ºC son precisas 540 calorías para evaporar un gramo de agua, lo que da idea de la energía necesaria, primero,para romper los puentes de hidrógeno establecidos entre las moléculas de agua líquida y, posteriormente, para dotaa estas moléculas de la energía cinética suficiente para abandonar la fase líquida y pasar al estado de vapor.Cuando se evapora el agua o cualquier otro líquido, disminuye la temperatura, lo que constituye un método eficaz enlos vertebrados para disipar calor por sudoración; también las plantas utilizan el sistema de refrigeración, sobretodo algunas, como el tomillo, el romero, etc., adaptadas a ambientes calurosos del verano, que almacenanesencias volátiles, cuya evaporación provoca un ligero descenso de la temperatura en su entorno.

AGUA LÍQUIDA Y AGUA SÓLIDA

El agua permanece líquida en un amplio margen de temperaturas, entre 0 y 100ºC, que son los más adecuados paralos procesos biológicos. Cuando se enfría se contrae su volumen, como sucede en todos los cuerpos; pero al

alcanzar los 4ºC cesa la contracción y su estructura se dilata hasta transformarse en hielo en el punto decongelación. Por esto el hielo es menos denso que el agua y flota sobre ella.Gracias a esta anomalía del agua los lagos, ríos y mares comienzan a congelarse desde la superficie hacia abajo, yes esta costra de hielo superficial lo que, paradójicamente, sirve de abrigo a los seres vivos que viven en las aguas,pues aunque la temperatura ambiental sea extremadamente baja (-50 ó –60ºC) mientras el agua de la superficie setransforme en hielo, mantiene constante su temperatura en 0ºC, y el agua del fondo queda protegida térmicamentedel exterior, pudiendo alcanzar los 4 ó 5ºC que son suficientes para la supervivencia de ciertas especies. Estapropiedad también explica que los esquimales construyan sus casas de hielo (iglús)

USOS BIOQUÍMICOS DEL AGUA

Los seres vivos se han adaptado para utilizar agua en dos tipos de reacciones fundamentales:

1. En la fotosíntesis, donde las enzimas utilizan el agua como fuentes de átomos de hidrógeno. Para que uncultivo vegetal produzca aproximadamente cinco toneladas de materia seca se necesitan fijar y transformar trestoneladas de agua.

2. En las reacciones de hidrólisis, donde las enzimas hidrolíticas han explotado la capacidad del agua de rompedeterminados enlaces para degradar los compuestosorgánicos en otros más simples, durante los procesosdigestivos.





IONIZACIÓN DEL AGUA Y ESCALA DE pH

Dos moléculas polares de agua pueden ionizarse debido a las fuerzas de atracción por puentes de hidrógeno que se establecen entreellas; el proceso es el siguiente: un ión hidrógeno (H+) de una molécula se disocia de su átomo de oxígeno, al que se encuentra unidocovalentemente, y pasa a unirse con el átomo de oxígeno de la otra molécula, con el que ya mantenía «relaciones» mediante eenlace de hidrógeno.

Esta es la causa de que el agua no sea un líquido químicamente puro, ya que se trata de una solución iónica que siemprecontiene algunos iones H3O+ y OH-. (Por convenio se utiliza el símbolo H+ en lugar de H3O+, aunque no hay que olvidar que en el aguano existen protones [H+] desnudos, sino hidratados, en forma de iones hidronio [H3O+].) En el agua pura, a 25 ºC, el producto [H+] [OH-

= 1 x 10-14 se denomina producto iónico del agua y constituye la base para establecer la escala de pH, que sirve para medir la acidez oalcalinidad de una disolución acuosa, es decir, su concentración de Iones H+ u OH-.La escala de pH fue ideada por Sorensen con el fin de evitar cálculos con números engorrosos como 0,0000001 M ó 1.10-6 M, que

indican la baja concentración de iones H+ existentes en los sistemas biológicos. Se define pH como: pH=Log10 [

]= -Log10 [ ]. E

agua pura, a 25ºC, se considera químicamente neutra y [ ]= [ ]=10-7M.Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad, y por ello han desarrollado a lo largo de laevolución sistemas de tampón o «buffer» que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos. Las variaciones depH afectan en general a la estabilidad de las proteínas y, en concreto, influyen decisivamente en la actividad catalítica de los enzimaspues están formados por aminoácidos que, en función del pH, pueden comportarse como compuestos ionizados o no, y generarcargas eléctricas que modifican profundamente su actividad biológica.

Los sistemas tampón o «buffer», que tienden a impedir la variación del pH cuando se añaden cantidades moderadas de iones H+ uOH-, consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones, respectivamente. Las proteínasposeen gran capacidad tamponadora del pH, pero existen además otros tampones biológicos, como son el par carbónico-bicarbonato(H2CO3 HCO3

- +H+ y el par H2PO4 - HPO4 2-+ H+). Cada par conjugado presenta un pH determinado, en el cual la capacidadtamponadora es máxima. Este valor coincide en los tampones biológicos con el pH normal de los fluidos corporales, que suele oscilaalrededor de 7.

ÓSMOSIS Y PRESIÓN OSMÓTICA

Ósmosis

Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membranasemipermeable (sólo deja pasar el disolvente pero no el soluto), se define la ósmosis como untipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua (disolvente) a través de la membranasemipermeable desde la solución más concentrada a la más diluida. Y se entiende por presiónosmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membranasemipermeable. La membrana plasmática de lacélula puede considerarse como una membrana semipermeable, por ello las células de losorganismos pluricelulares deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos tisulares que

las bañan.





Cuando la concentración de solutos de los fluidos extracelulares es igual a la concentración intracelular, ambas disoluciones sonisosmóticas (isotónicas), pero si los líquidos extracelulares aumentan su concentración, se hacen hiperosmóticos (hipertónicosrespecto a las células, y, como consecuencia, las células pierden agua, se deshidratan y mueren, sufren el proceso denominado deplasmólisis.

De modo similar, si los líquidos extracelulares se diluyen, sehacen hipoosmóticos (hipotónicos) respecto a las células, elagua tiende a pasar al protoplasma interior y las células sehinchan, se vuelven turgentes (fenómeno de turgescencia) yllegan incluso a estallar, si no disponen de una pared celulosacomo los vegetales.

Para demostrar estos dos conceptos (ósmosis y presiónosmótica) realizamos el siguiente experimento. Disponemos deun tubo en U y una membrana semipermeable que separa losdos brazos del tubo. Llenamos el brazo derecho con unasolución de sacarosa diluida y el izquierdo con una solución desacarosa concentrada; inmediatamente se produce la ósmosis, y el agua pasa desde el tubo de la derecha (solución diluida) hacia ede la izquierda (solución

concentrada). El resultado consiste en que se alcanza el equilibrio osmótico al igualarse las dos concentraciones, la diluida (derecha)se ha concentrado y la concentrada (izquierda) se ha diluido. Puede observarse cómo sube el nivel del líquido en el brazo izquierdoque ejerce una presión hidrostática

(Ph= g[h2 -h1),Igual y de signo contrario a la presión osmótica, hasta que, obtenido el equilibrio, las dos presionesse igualan.

La diálisis.

Si el diámetro de los poros de la membrana semipermeable es suficientemente grande para dejar pasar, ademásdel disolvente, moléculas de soluto de bajo peso molecular, se produce un fenómeno llamado diálisis, mediante ecual las pequeñas moléculas dializables pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la

más diluida.

Esta técnica permite separar en una disolución los solutos de bajo peso molecular y es el fundamento de lahemodiálisis, que se aplica a los enfermos de insuficiencia renal y consiste en el siguiente proceso: se hace pasa

la sangre por un circuito que contiene una solución diluida separada mediante una membrana semipermeable; a través deella pasan a la solución componentes de la sangre de bajo peso molecular (agua, sales, urea, etc.), que, de esta formaquede desprovista de sustancias tóxicas, residuales del metabolismo; pero, antes de introducirla de nuevo en el enfermo hayque reincorporarse determinados componentes que se habían filtrado y resultan imprescindibles, como agua, salesminerales, glucosa, aminoácidos, etc.

A partir de la diálisis como método para separar en una disolución los solutos de bajo peso molecular, se puede acelerar el proceso

con la aplicación de una presión por arriba o haciendo el vacío por abajo de la membrana, tal como se indica en el dibujo. Esta técnicade separación recibe el nombre de Ultrafiltración.





1.2.2. LAS SALES MINERALES

Además del agua y los gases atmosféricos, existen otros compuestos minerales, como son las sales inorgánicas. En función de susolubilidad en agua se distinguen dos tipos de sustancias salinas: insolubles y solubles en agua.

1. Insolubles en agua. Forman estructuras sólidas que suelen cumplir funciones de protección y sostén como, poejemplo: Caparazones de carbonato cálcico (CaCO3) de crustáceos y moluscos o caparazones silíceos deradiolarios y diatomeas.Esqueleto interno de vertebrados, cuya parte mineral está formada por la asociación de varios compuestosminerales (fosfato, cloruro, fluoruro y carbonato de calcio). El fluoruro de calcio, que se encuentra también en eesmalte de los dientes, tiene la dureza del apatito.

Izquierda: las sales mineralesprecipitadas forman estructuras sólidasen los seres vivos.Derecha: Caparazón silíceo de unaDiatomea (micrografía eletrónica de barrido)

Determinadas células vegetales incorporan sales minerales en su pared de celulosa, como, por ejemplo, las célulasque se encuentran en los bordes de las hojas de caña (las impregnaciones silíceas las transforman en cuchillosafilados) o las que forman parte de los pelos de la ortiga, que se vuelven frágiles y, al rozarlos se fracturan yconvierten en jeringuillas que inyectan su contenido cáustico.

También en el citoplasma de algunas células se acumulan cristales de oxalato cálcico en forma de drusas, prismas,etc., que constituyen acúmulos de productos residuales del metabolismo de la planta; si algunos de estos vegetales(espinacas, grelos, etc.) se ingieren en exceso en la dieta, pueden contribuir al desarrollo de cálculos renales obiliares.

En los animales también existen acúmulos de minerales con muy diferentes misiones, como, por ejemplo, losotolitos del oído interno, que son cristales de carbonato cálcico que intervienen en el mantenimiento del equilibrio, olas partículas de magnetita (óxido de hierro) presentes en numerosas especies (paloma mensajera, abejas, delfinestortugas, etc.) y que, al parecer, utilizan como brújula interna para orientarse en sus desplazamientos.

2. Solubles en el agua. Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones) correspondientes, que son losresponsables de su actividad biológica.

Los principales cationes (iones de carga positiva) son: sodio (Na+), potasio (K+), magnesio (Mg2+) y amonio

(NH4 +); otros son menos abundantes, como el hierro (Fe2+/Fe3

+), zinc (Zn2+), cobre (Cu+/Cu2+), manganeso (Mn2+)

etc. Entre los aniones (iones de carga negativa) más abundantes se encuentran los siguientes: cloruro (Cl-), carbonato

bicarbonato (CO3 2-/HCO3 -), fosfato-bifosfato (PO43-/HPO4

2-/H2PO4-), sulfato (SO4 2-), nitrato (NO3

-),Ioduro (I-) y silicato (SiO4

3-).

Estos iones mantienen un grado de salinidad constante dentro del organismo y ayudan a mantener tambiénconstante su pH. Los líquidos biológicos, a pesar de estar constituidos básicamente por agua, no varían apenas su[H3O+1, es decir su pH, por la adición de ácidos o bases. Ello se debe, en parte, a que estos líquidos contienen





sales minerales que pueden ionizarse en mayor o menor grado dando lugar a H3O+u a OH- que contrarresten eefecto de los ácidos o a bases añadidos.

Este fenómeno se denomina efecto tampón y a estas disoluciones se las llama disoluciones tampón oamortiguadores. El medio interno de los organismos presenta unas concentraciones iónicas constantes. Unavariación en dicho equilibrio iónico provoca alteraciones en la permeabilidad, excitabilidad y contractilidad de lascélulas. A este respecto son conocidas las soluciones fisiológicas de Ringer para los anfibios y de Tyrode para losmamíferos, en las que se puede mantener un órgano funcionante, y la solución nutritiva de Arnon para cultivoshidropónicos.

Las sustancias minerales asociadas a moléculas orgánicas suelen encontrarse junto a proteínas, como losfosfoproteidos; junto a lípidos, como los fosfolípidos; y junto a glúcidos, como en el agar-agar.

Las principales funciones de las sustancias minerales en los organismos son:

Formar estructuras esqueléticas. Estabilizar dispersiones coloidales. Mantener un grado de salinidad en el medio interno. Constituir soluciones amortiguadores.

Acciones específicas: por ejemplo, el ion ferroso Fe2+ es necesario para sintetizar la hemoglobina, el yodo es imprescindible en la

hormona tiroidea, el ion magnesio Mg2+ es necesario en la clorofila, etc

1.2.3. BIOMOLECULAS ORGÁNICAS

REACCIONES QUÍMICAS RELEVANTES EN BIOLOGÍA: HIDRÓLISIS Y CONDENSACIÓN

Una hidrólisis es la ruptura de una molécula por incorporación de las partes de la molécula de agua (OH- y H+) en un enlace. Lareacción inversa, es decir, la formación de un compuesto más complejo a partir de compuestos más simples por liberación de unamolécula de agua, se llama deshidratación, o condensación.La digestión de los nutrientes que ingerimos en los alimentos ocurre por hidrólisis, mientras que muchas de las síntesis biológicasocurren por deshidratación; por ejemplo, la síntesis de proteínas a partir de aminoácidos.

BIOMOLÉCULAS ORGÁNICAS

La mayor parte de la masa de cualquier ser vivo es agua, lo que queda en evidencia al comparar el peso fresco de un organismo consu peso seco (después de haber sido deshidratado). Pero si extraemos el agua y revisamos la composición de la materia seca, nosencontramos con que la mayor parte es materia orgánica. Esta se encuentra representada en las células por una gran variedad demoléculas que pueden desempeñarse formando estructuras (moléculas estructurales), sirviendo como combustible o realizandodiversas funciones tales como regulación de procesos, transporte, acción enzimática, comunicación intercelular, etc.

Tal como habíamos adelantado, el átomo principal de los compuestos orgánicos es el carbono. Este siempre establece cuatroenlaces covalentes, de modo que puede formar una gran diversidad de estructuras moleculares. Los compuestos orgánicos mássencillos se componen sólo de carbono e hidrógeno y se llaman hidrocarburos. No se hallan presentes en las células, pero suestructura (fig. 2.5) es la base de las moléculas orgánicas biológicas.





Fig. 2.5: Hidrocarburos representados de diferentes formas.

Los grupos de átomos que están unidos a una cadena de carbonos e hidrógenos se llaman grupos funcionales. Las moléculasorgánicas reciben diferentes nombres según el grupo funcional que poseen. Los grupos que vale la pena recuerdar, para efectos deestudio de la Biología, son los siguientes:

Hidroxilo (OH) Hace que las moléculas sean hidrosolubles. Lo encontramos en abundancia en los azúcares.Carboxilo (COOH) Las moléculas que lo poseen se llaman ácidos, pues puede liberar un protón. Lo encontramos en los

aminoácidos y en los ácidos grasos.Amino (NH2) Lo hallamos en los aminoácidos.Fosfato (H3PO4) Se encuentra en los fosfolípidos y en los nucleótidos. Se representa, para simplificar, del siguiente modo

P

Nótese la importancia de los elementos oxígeno, nitrógeno y fósforo, como componentes principales de las biomoléculas orgánicas junto con el carbono y el hidrógeno.

Estudiaremos cuatro grupos de biomoléculas orgánicas; los carbohidratos, los lípidos, las proteínas y las moléculas hechas denucleótidos. Antes de revisarlas con detalle veamos de qué están hechas (fig. 2.6).

Fig. 2.6: Las cuatro familias de biomoléculas y sus unidades fundamentales.





Los carbohidratos, o glúcidos, son moléculas construidas de azúcares simples. Los azúcares, a su vez, son moléculas quetienen C, H y O en una proporción igual a 1: 2: 1. Su fórmula es (CH2O)n.Los lípidos son estructuralmente muy diversos. Un ejemplo muy importante de ellos son los ácidos grasos, que son largascadenas hidrocarbonadas (hidrófobas) que terminan en un grupo carboxilo.Las proteínas son moléculas hechas de aminoácidos. Cada aminoácido consta de cuatro partes unidas a un carbono centralEstas son: un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de H y una cadena lateral (un grupo de átomos) variable.Los nucleótidos están formados por tres partes: un grupo fosfato, una base nitrogenada y un monosacárido (pentosa). Aeste último van unidos los otros dos. Una base nitrogenada es una molécula con forma de anillos, que contiene nitrógeno.Los nucleótidos son las unidades estructurales de los ácidos nucléicos.

La deshidratación o condensación es la reacción química por la cual se unen entre sí los azúcares simples para formar otros máscomplejos; los aminoácidos, para formar proteínas; y los nucleótidos, para formar dinucleótidos y polinucleótidos. También participa enla unión de los ácidos grasos a una molécula de glicerol en la formación de ciertos lípidos. Recordemos que la reacción inversa sellama hidrólisis. Por ella digerimos las proteínas, los polisacáridos y los lípidos que obtenemos de nuestra dieta.

CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos se clasifican (fig. 2.8.a), según el número de unidades de azúcar que contienen, en monosacáridos, disacáridosoligosacáridos y polisacáridos. Los monosacáridos, a su vez, se clasifican según el número de átomos de carbono que poseen, entriosas, pentosas y hexosas (esos son los de mayor interés biológico).

Fig. 2.7.a: Esquema resumen de la clasificación de los carbohidratos.

MONOSACÁRIDOS (fig. 2.8.b)

TRIOSAS, de tres átomos de carbono (C3H6O3). Ejemplos son el gliceraldehído y la dihidroxiacetona, que son intermediariosen el metabolismo de los azúcares.PENTOSAS, de cinco átomos de carbono (C5H10O5). Conocidas son la ribosa y la desoxirribosa, que son parte de laestructura de los nucleótidos.HEXOSAS, de seis átomos de carbono (C6H12O6). Las más comunes son la glucosa y sus isómeros fructosa y galactosa. Pocontener muchos grupos hidroxilos son muy hidrosolubles. La glucosa merece una atención especial, ya que es el principacombustible celular.

Carbohidratos

Monosacáridos

Triosas

Pentosas

Hexosas

Disacáridos

Polisacáridos





POLISACÁRIDOS

Son polímeros de monosacáridos. Los más conocidos son los polisacáridos de glucosa, como el almidón, el glucógeno y la celulosa.

Las plantas almacenan glucosa como almidón en sus semillas y en otras estructuras (en el tubérculo de la papa, por ejemplo). Ealmidón es menos hidrosoluble que la glucosa, por lo que es más fácil de almacenar. Nosotros conocemos vulgarmente el almidóncon el nombre de harina. Es la forma saludable, por oposición a los dulces, de consumir carbohidratos. Más adelante veremos que loscarbohidratos son la base de una dietabalanceada.

Los animales almacenan la glucosa como glucógeno, principalmente en el hígado. La glucosa llega al hígado por la sangre desde eintestino, y en las células hepáticas se polimeriza gracias a la acción de enzimas específicas. Otras enzimas hidrolizan el glucógeno

cuando es necesario que la glucosa sea liberada a la circulación. También las células musculares almacenan glucógeno, pero sólopara su consumo.

A diferencia de los dos polisacáridos anteriormente mencionados, la celulosa no sirve para almacenamiento sino que cumple unpapel estructural. Los precursores de las fibras de celulosa se sintetizan en el interior de las células de las plantas y se depositan porfuera de la membrana, donde formarán la pared celular.





LÍPIDOS

Los lípidos constituyen un conjunto de sustancias de naturaleza química variada que sólo tienen en común el hecho de que, en vezde disolverse en agua, se disuelven en solventes orgánicos apolares tales como alcohol, ac etona, éter, cloroformo y benceno.Además, poseen menor proporción de oxígeno que los carbohidratos. Desde el punto de vista funcional, también son variados. Losmás conocidos son los que se almacenan bajo la piel, en el tejido adiposo. Las vitaminas A, E y K también son lípidos. Veamos estos

y otros ejemplos.

TRIGLICÉRIDOS (fig. 2.9)

Se forman al unirse, por deshidratación, tres ácidos grasos a una molécula de glicerol. Son conocidos como grasas y aceitesTanto en animales como en plantas sirven como formas de almacenar energía, pues los ácidos grasos de que están hechos son,como la glucosa, combustibles celulares. El fruto del palto (la palta) y las semillas del nogal (las nueces) son ejemplos de órganos deplantas donde hay aceite almacenado. En los animales, la mayor reserva de grasa se halla bajo la piel, en los adipositos (células deltejido adiposo). Los triglicéridos contienen el doble de energía por gramo que los carbohidratos y repelen el agua, por lo que no sehidratan como ellos. Ambas propiedades le permiten al animal guardar una gran cantidad de energía en una masa y en un volumenmenor que si la almacenara como carbohidratos. La reserva de glucógeno almacenada en un adulto alcanza para un día, mientrasque la de grasa, para un mes.

Fig 2.9: Triglicéridos.

En el tejido adiposo, los triglicéridos también sirven como aislantes térmicos y como amortiguadores contra golpes. Sus cadenashidrocarbonadas pueden ser saturadas (sin enlaces dobles), como en el caso de la mayoría de los lípidos animales (grasas); oinsaturadas (con enlaces dobles), como en el caso de los lípidos de origen vegetal (aceites). Más adelante se estudiará la diferenciaentre unos y otros desde el punto de vista nutricional.

FOSFOLÍPIDOS (fig. 2.10)

Son parecidos a los triglicéridos, pero en vez del tercer ácido graso enlazado al glicerol, tienen un grupo fosfato unido a un grupo polavariable. Los dos ácidos grasos aportan dos largas colas apolares, mientras que la porción (glicerol – fosfato – grupo polar)constituye una cabeza polar . Las moléculas que, como los fosfolípidos, tienen una porción hidrofóbica y una hidrofílica, se denominanantipáticas y tienen un comportamiento muy interesante en el agua. Naturalmente, hay atracción entre el agua y su parte polar, yrepulsión entre el agua y su porción apolar.





Fig. 2.10: Fosfolípidos.

Esto determina que los fosfolípidos, puestos en contacto con el agua, tiendan a formar capas superficiales (en que sus cabezas estánen contacto con el agua) o partículas que dejan encerradas dentro de sí las colas hidrófobas. Pero lo más significativo desde el puntode vista biológico es una tercera posibilidad: la de formar bicapas que dejan en su interior las colas, y en contacto con el agua lascabezas. Estas bicapas, a su vez, forman esferas que dejan compartimiento interno separado del líquido del recipiente. En virtud deesta propiedad es que las membranas celulares, tanto la membrana plasmática como la de los compartimientos intercelulares, estánbásicamente estructuradas como bicapas lipídicas hechas de fosfolípidos. Este es un ejemplo de lípidos con una función estructural yno energética.

CAROTENOIDES

Tienen consistencia aceitosa y están presentes en las plantas como pigmentos rojos, anaranjados y amarillos llamados carotenosEstos, como otros pigmentos, son muy importantes para las plantas, pues, además de ser útiles para la fotosíntesis, junto con laclorofila; confieren a flores y a frutos colores que los hacen atractivos para los animales de los cuales depende la polinización y ladispersión de la semilla. De los carotenos se deriva, por hidrólisis, el retinol o vitamina A, del que se deriva, a su vez, un pigmentofotosensible de nuestros ojos llamado retinal.

ESTEROIDES (fig. 2.11

El más conocido es el colesterol. Sus funciones más conocidas son dos: desempeña, junto a los glicolípidos, un papel estructural enlas membranas celulares de los animales, y es la materia prima para la síntesis de otros esteroides que actúan como mensajerosquímicos, como por ejemplo las hormonas sexuales (testosterona, estrógeno y progesterona) y las corticoadrenales (aldosterona,cortisol, etc.)





Estructura primaria: Se define estructura primaria como la secuencia lineal de aminoácidos, es decir, como el orden en eque están colocados los aminoácidos en una proteína. Este está determinado por la información hereditaria y es responsablede la forma en que ―la hilera‖ de aminoácidos se pliega.

Estructura secundaria: Corresponde a plegamientos en formas helicoidales o laminares que se forman debido ainteracciones entre aminoácidos no adyacentes. Si imaginamos que se produce una atracción entre un aminoácido y otro quese encuentra seis lugares más allá en la secuencia, tal vez resulte obvio que la ―hilera‖ de aminoácidos se va a doblar. Así escomo se forman las estructuras que conocemos como estructuras secundarias. Entre las interacciones responsables de ellasestán lospuentes de hidrógeno. La estructura helicoidal predomina en proteínas fibrosas como colágeno, elastina, queratina y sedaEstas fibras son elásticas, debido a que los puentes de hidrógeno se forman y se destruyen.

Estructura terciaria: Es la forma tridimensional, generalmente globular, de una proteína cuya estructura secundaria se haplegado sobre sí misma, también debido a interacciones entre aminoácidos no adyacentes. Esta forma tridimensional esesencial para la función de una proteína. Si se altera la estructura terciaria (la forma) de un membrana, no aceptará la señalque le corresponde; si se altera la de una enzima, ésta no alcanzará con los reactantes a los que debe hacer reaccionar. Laalteración de esta conformación tridimensional, es decir, la pérdida de la estructura terciaria, que puede ser por efecto decalor, se conoce como desnaturalización.

Estructura cuaternaria: Siguiendo la lógica de esta secuencia sería tentador pensar que la estructura cuaternariacorresponde a un plegamiento de una estructura terciaria sobre si misma, pero no es así. Se dice que una proteína tiene unaestructura cuaternaria cuando consta de más de una cadena polipeptídica (subunidad), cada una con su estructura

terciaria. El ejemplo más conocido es la hemoglobina, que consta de cuatro subunidades globulares.

Fig. 2.13: Comparación de las estructuras proteicas con las de un cable telefónico.

Para comprender más fácilmente los niveles deorganización estructural de las proteínas es útil lacomparación con lo que pasa con el cable telefónicoque va del aparato al auricular. Pensemos en unasecuencia de aminoácidos formando un cable. Laforma de espiral de ese cable es comparable con laestructura secundaria. Ahora bien, a causa deciertas tensiones, esta espiral suele plegarse sobresí, formando un pelotón de espiral. Este es análogoa la estructura terciaria.

Cabe mencionar que los genes, al determinar eorden en que van puestos los aminoácidos en unaproteína, es decir, su estructura primaria, determina

su forma y, por lo tanto, su función. Esto debe resultar evidente si se tiene en cuenta que la forma en que se pliega un polipéptido parallegar a ser una proteína con estructura secundaria y terciaria, depende del orden en que están puestos los aminoácidos en él , ya quedicho plegamiento se debe a las interacciones entre los aminoácidos no adyacentes.





MOLÉCULAS HECHAS DE NUCLEÓTIDOS

Un nucleótido es, recordemos, una molécula formada por un grupo fosfato y una base nitrogenada unidos, ambos, a una pentosa. Enel caso de los nucleótidos más conocidos, la pentosa puede ser ribosa o desoxirribosa. Las bases nitrogenadas más conocidas sonadenina, guanina, citosina, timina y uracilo. Los nucleótidos se distinguen unos de otros, fundamentalmente, por sus basesnitrogenadas. Estas se simbolizan, respectivamente, con las letras A, G, C, T y U. Las células utilizan los nucleótidos para sintetiza

importantes moléculas, entre las que destacaremos algunos dinucleótidos, los nucleótidos con tres fosfatos y los ácidos nucléicos.

DINUCLEÓTIDOS

Son, como su nombre lo dice, moléculas formadas por dos nucleótidos. Los que destacaremos son intermediarios delmetabolismo que desempeñanla función de transferirelectrones e hidrógenos en lasreacciones metabólicas. Susformas oxidadas le quitanelectrones e hidrógenos a lasmoléculas, actuando como

agentes oxidantes. Son elNAD+, el NADP+ y el FAD. Susformas reducidas (que sonNADH, NADPH y FADH2); sondadores de electrones y dehidrógenos, vale decir, actúancomo agentes reductoresen el metabolismo. Debido a quealgunas enzimas no puedenhacer su trabajo si ellos no estánpresentes, se dice que soncoenzimas.

Fig. 2.14: Nucleótidos y dinucleótidos.

DIFOSFATOS Y TRIFOSFATOS DE NUCLEÓTIDOS El ejemplo más importante es el deadenosintrifosfato (ATP). Consta de una pentosauna molécula de adenina y tres grupos fosfatosEntre el segundo y el tercero hay un tipo muyespecial de enlace químico, que guarda la energíaliberada por la oxidación e los combustibles

celulares, para que ella esté a disposicióninmediata de la célula. Se dice que actúa como una―moneda energética‖ porque, si comparamosenergía con dinero, lo almacenado como grasa oglucógeno equivale a dinero en el banco, mientrasque lo almacenado en ATP, a dinero en el bolsilloes menos y más inestable pero está más fácilmentedisponible.





Fig. 2.15: ATP.

ÁCIDO NUCLEICO (fig. 2.16)

Son polímeros en que el fosfato de un nucleótido estácovalentemente unido a la pentosa del adyacente. En lasecuencia en que están sus nucleótidos está la informaciónhereditaria. Los dos ácidos nucleicos que existen son eácido desoxirribonucleico (ADN) y el ribonucleico ARN).

Fig. 2.16: Estructura del ADN.





UNIDAD 2. ESTRUCTURA

Introducción al estudio de la célula

Teoría celular

La teoría celular se debe a dos científicos alemanes, el botánico Mathias Schleiden y el zoólogo Theodor Schwann. En 1838Schleiden señaló por primera vez que las plantas se componen de células. Al año siguiente, Schwann extendió esta generalización alos animales. La teoría celular no tardó en imponerse, pues agrupó un conjunto de datos que ya gozaban de consenso en lacomunidad científica y desde entonces se acepta que la célula es la unidad básica de todos los organismos vivos.

En el año 1855, Rudolfh Virchow amplió la teoría celular y afirmó que las células solo surgen por división de otras célulaspreexistentes, contradiciendo así la teoría (que aún entonces tenía muchos adeptos), de que las células pueden surgir por generaciónespontánea de la materia inanimada.

Durante el siglo XX, la teoría celular fue reafirmada y ampliada y es hoy uno de los conceptos unificadores más importantes de la

biología. En su formulación actual, la teoría celular enuncia:

1) Los seres vivos están formados por células y productos celulares.2) Las células se originan a partir de otras células.3) Las reacciones químicas del organismo vivo tienen lugar dentro de células.4) Las células contienen la información hereditaria de los organismos que integran y esta información se transmite de lacélula madre a la célula hija.

Características de las células

Todas aquellas características que se hacen evidentes en un organismo complejo y nos permiten reconocerlo como un ser vivo, estánpresentes en cada una de las células que lo componen.

Las características de las células son:

·Tienen una organización compleja. Son sistemas abiertos: intercambian materia y energía con el medio. Realizan una serie de transformaciones químicas a las cuales se les da el nombre de metabolismo. Poseen un programa genético que guía el desarrollo de sus estructuras y su funcionamiento. Ese programa genético está

inscripto en la estructura del ADN (ácido desoxirribonucleico) y contiene información para la síntesis de proteínas. Sinembargo, el ADN no participa en forma directa en la elaboración de proteínas.





Para ello, la célula sintetiza una molécula intermediaria, el ARN (ácido ribonucleico), donde se transcribe la información genéticaalmacenada en el ADN. El ARN es el artífice directo de la síntesis de proteínas, proceso también llamado traducción. Lasproteínas son las ejecutoras del programa. Por lo tanto, la puesta en marcha de un programa genético requiere:

. Tienen movimiento. · Poseen receptores que les permiten captar señales del medio y responden a ellas. · Se autorregulan. Se reproducen.

Tamaño celularLas células miden típicamente unos pocos micrómetros (=1mm = 10-6m) de diámetro. Las células no sobrevivirían con volúmenesmayores. El límite al tamaño celular viene impuesto fundamentalmente por dos necesidades:

1. Que la superficie celular , a través de la cual se realizan los intercambios con el medio, dé abasto para suministrarle a la célula

los nutrientes necesarios y permitirle la eliminación de sus desechos. Cuanto mayor es el volumen de un cuerpo,proporcionalmente menor resulta su superficie. Tómese este simple ejemplo: un cubo A de 1 micrómetro de lado tiene unasuperficie de 6 micrómetros cuadrados y un volumen de 1 micrómetro cúbico. Un cubo B de 2 micrómetros de lado tiene unasuperficie de 24 micrómetros cuadrados y un volumen de 8 micrómetros cúbicos. Mientras la superficie de B sólo cuadruplica lade A, su volumen es 8 veces mayor. Si la superficie de estos cuerpos tuviera que ser utilizada para realizar intercambios, comoocurre con las células, el cuerpo B sería menos eficiente que A, ya que dispone de una superficie relativamente menor para suvolumen.

2. Que el volumen celular sea lo suficientemente pequeño para que las moléculas que participan del metabolismo puedan llegar deuna parte a otra de la célula en un tiempo breve.





Unidades de longitud utilizadas en Biología celular

Tamaño celular: se expresa en micrómetros (antes llamados micrones).Tamaño de estructuras subcelulares: se expresa en nanómetros = milimicrones.Tamaño de macromoléculas: se expresa en angstroms.

1 micrómetro = 1mm = 10 -6 m1 nanómetro = 1nm = 10-9 m1 angstrom = 1 Aº= 10-10 m

Microscopios

El poder de resolución de un instrumento óptico es la capacidad de discriminar o ―ver‖ separadamente dos puntos. El límite deresolución es la menor distancia que debe separar a dos puntos para que el instrumento los discrimine como puntos separados. Porlo tanto, la capacidad resolutiva es tanto mayor, cuanto menor sea el límite. El límite de resolución para el ojo humano es 200 mm(=0,2 mm). Salvo algunas excepciones, las células no alcanzan este tamaño, por lo que el estudio de las células requiere la asistenciadel microscopio.Existen dos tipos básicos de microscopio: el microscopio óptico (MO) y el microscopio electrónico (ME). Dados sus pequeños

límites de resolución, el poder resolutivo de estos instrumentos (especialmente el del ME) es muy alto y ha permitido el conocimientodetallado de la célula y sus estructuras.

El MO posibilita la visión de tejidos y células, con muy poco detalle de su estructura interna.

Las estructuras subcelulares se observan a través del ME. Las imágenes fotográficas además pueden ser ampliadas, lográndoseaumentos de hasta10.000.000 x. Al ME es posible observar hasta la estructura general de algunas macromoléculas aisladas, como eADN. Sin embargo, las estructuras moleculares y los átomos, tal como los hemos dibujado hasta ahora, no pueden ser resueltos porningún instrumento. Los esquemas que se utilizan son representaciones de modelos teóricos.





Modelos celulares

Una célula consta de tres elementos fundamentales: un límite, la membrana celular ; un contenido o citoplasma y el materiagenético, el cual se halla en una o más estructuras llamadas cromosomas. El modelo celular más sencillo, el de las bacterias

presenta el cromosoma en contacto directo con el citoplasma, en una zona denominada nucleoide. En todos los demás seres vivos,los cromosomas están encerrados en un núcleo limitado por una envoltura nuclear, de manera que el contenido celular queda divididoen dos zonas: núcleo y citoplasma. A este modelo celular se le dio el nombre de célula eucariota (de eu: verdadero y cario: núcleo)Al tipo celular de las bacterias, en cambio, se lo llamó procariota (anterior al núcleo).

A continuación describiremos la estructura general de una célula eucariota animal típica o idealizada.





Estructura de una célula animal

2.1. CITOPLASMA

Membrana plasmática





La membrana plasmática o celular es el límite exterior de la célula. Al ME electrónico ofrece una imagen, común con la de otrasmembranas, llamada “unidad de membrana”.

La descripción de la estructura que sigue no corresponde a una imagen sino a un modelo obtenido de pruebas indirectas.

La membrana plasmática es una bicapa formada por fosfolípidos, glucolípidos y colesterol, con proteínas en la superficie de labicapa e intercaladas entre los lípidos. La mayor parte de las proteínas son en realidad glucoproteínas, pues llevan unidas cadenasde oligosacáridos que se proyectan desde la membrana hacia el exterior celular. Los glucolípidos solo se ubican en la monocapa

extracelular y sus glúcidos, por lo tanto, se exponen en la superficie de la célula. Las cadenas glucídicas de unas y otras moléculasforman en conjunto la capa más externa de la membrana plasmática, a la que se llama glucocáliz.

El modelo descriptivo de la membrana plasmática, modelo de mosaico fluido, indica que los componentes de la membrana gozan decierta libertad de movimiento en el espesor de la misma.

Dependiendo del tejido, la membrana presenta zonas especializadas en distintas funciones, las diferenciaciones de membrana.

La función de la membrana plasmática es, fundamentalmente, el mantenimiento del medio interno de la célula, por medio del controde los ingresos y egresos de moléculas que se producen a través de ella. Algunos de estos pasajes son pasivos, pero otrosrequieren la intervención de mecanismos de transporte que implican un gasto energético celular. También en la membrana seencuentran estructuras receptoras que le permiten a la célula responder de diversas formas a las señales recibidas. Además, lamembrana vincula a una célula con sus vecinas y con la sustancia que la rodea, llamada matriz extracelular. Estas relaciones célula-célula y célula-matriz son de suma importancia en la arquitectura de los tejidos.

Citoplasma





El citoplasma es la zona que se ubica entre la membrana plasmática y el núcleo. La parte líquida del citoplasma se denomina citosoo matriz citoplasmática. La matriz citoplasmática es un medio acuoso que contiene iones y moléculas pequeñas disueltas y tambiénmuchos tipos de macromoléculas en suspensión; entre ellas, enzimas, que participan en importantes vías metabólicas. En algunoscasos, el citosol tiene inclusiones, que son depósitos de distintas sustancias. Por ejemplo, en las células del tejido adiposo grandesgotas de triglicéridos se reservan en el citosol.

Sin embargo, el citoplasma está lejos de ser una masa homogénea e informe. Por el contrario, el citosol está interrumpido y recorridopor una serie de estructuras complejas y especializadas: el citoesqueleto, el sistema de endomembranas y los organoidescitoplasmáticos.

Citoesqueleto

El citoesqueleto es el armazón de la célula. Está constituido por tres tipos de elementos filamentosos: los microfilamentos, losmicrotúbulos y los filamentos intermedios.

Los microfilamentos (MF) son los componentes más delgados del citoesqueleto. Son varillas macizas de 8 nm de diámetroconstituidas por unidades de una proteína globular, la actina G. Las unidades de actina G se unen entre sí en una doble héliceestrecha que forma el microfilamento o actina F.

Los microtúbulos (MT) son cilindros huecos de 25 nm de diámetro; tienen subunidades de otra proteína globular, la tubulina. En lapared del microtúbulo, las unidades de tubulina se disponen formando 13 hileras llamadas protofilamentos.





Tanto los MF como los MT pueden modificar su longitud añadiendo o perdiendo subunidades por ambos extremos, en los procesosllamados polimerización y despolimerización, respectivamente. La polimerización consume energía.

Microfilamentos y microtúbulos presentan dos extremos que se diferencian en la velocidad de polimerización y despolimerización: enel extremo más estos procesos son rápidos, y en el extremo menos, más lentos. Se dice, por este motivo, que son estructuraspolarizadas.Los microfilamentos se ubican preferencialmente en la zona periférica del citoplasma y pueden adoptar diferentes disposiciones en lascélulas: forman haces, redes delgadas y también redes complejas, tridimensionales. Cambios en los filamentos de actina provocanque la consistencia del citosol pase de sol a gel. La forma en que se disponen los filamentos de actina depende en gran medida de suinteracción con las proteínas que se enlazan a actina o proteínas ligadoras. Otras proteínas reguladoras controlan dichos cambios.

Los MT citoplasmáticos de las células animales generalmente se disponen en el citoplasma en forma de rayos que irradiandesde el centrosoma o centro celular. Los extremos menos de los MT se orientan hacia el centrosoma, mientras que losextremos más están dirigidos hacia la periferia celular.El centrosoma es una zona cercana al núcleo que comprende a los centríolos, estructuras pares ubicadas en ángulo recto unorespecto del otro, y a una matriz que los rodea, la matriz pericentriolar. Esta última contiene proteínas que dirigen la formación y elcrecimiento de los microtúbulos, por lo cual el centrosoma es considerado un ―centro organizador de microtúbulos‖ (COMT).

Los MT citoplasmáticos también son estructuras muy dinámicas, con la posibilidad de modificar su longitud y su distribución dentro dela célula. Por ejemplo, durante la división celular, los microtúbulos citoplasmáticos se desensamblan y reorganizan por completoformando el huso mitótico, estructura encargada de repartir los cromosomas entre las células hijas.





Los microfilamentos interaccionan con proteínas motoras denominadas miosinas I y miosinas II. En asociación con miosinas, losMF participan en el movimiento de organoides, en la migración celular y forman estructuras contráctiles, como el sarcómero de lascélulas musculares.

Los microtúbulos también se asocian a sus propias proteínas motoras, las quinesinas (o cinesinas) y las dineínas. Las quinesinastransportan cargas hacia el extremo más del microtúbulo, y las dineínas transportan sus cargas hacia el extremo menos.

Además de los MT citoplasmáticos, inestables y cambiantes, las células poseen microtúbulos que forman parte de estructurasestables, como los centríolos, las cilias y los flagelos.

Los filamentos intermedios (FI) tienen un diámetro de 10 nm, intermedio entre el de los microfilamentos y el de los microtúbulos. Sediferencian de MF y MT en que están constituidos por unidades fibrilares y no globulares, y su polimerización ocurreespontáneamente, sin gasto de energía. Tampoco presentan polaridad.

Aunque existen diversas familias de proteínas, específicas de distintos tipos celulares, que conforman los FI, todas ellas estánorganizadas siguiendo un patrón común.

La función de los FI es netamente estructural. Adoptan una disposición transcelular o transversal al eje mayor de la célula,orientándose en la dirección de las fuerzas que actúan sobre ella.





En conclusión, el citoesqueleto es una estructura dinámica, que cumple con las siguientes funciones: da forma y sostén a la célula, leconfiere resistencia a la tracción, participa en el movimiento de organelas dentro del citoplasma y es el responsable dedesplazamiento celular.

Ribosomas

Estos orgánulos están formados por dos subunidades, la mayor y la menor, que se ensamblan entre sí en presencia de un tipo deARN llamado mensajero (ARNm). Cada ARNm es una molécula lineal que porta la información para la síntesis de una proteínaparticular. El ribosoma ya ensamblado se desliza sobre el ARNm, que se sitúa en un túnel excavado en la subunidad menor, al t iempoque sintetiza la proteína especificada en el ARN. Según las señales que exhiben las proteínas nacientes, el ribosoma persiste en ecitosol, como ribosoma libre, o se adhiere a las membranas del REG y continúa allí el proceso de síntesis, como ya se mencionó. Lassubunidades ribosomales se separan una vez que la síntesis de la proteína ha concluido.

Frecuentemente, varios ribosomas, ya sean libres o unidos al REG, aparecen agrupados sobre un mismo ARNm; a estos grupos selos denomina polisomas o polirribosomas.

Los ribosomas carecen de membrana y cada una de sus subunidades es un complejo formado por ARN ribosomal (ARNr) yproteínas.

Mitocondrias





Las mitocondrias tienen forma ovoide, de bastón o esférica. Son organoides de gran tamaño (hasta 3 micrómetros de largo). Estánrodeadas por dos membranas: una externa, lisa y otra interna, con pliegues llamados crestas mitocondriales. Entre ambasmembranas hay un compartimiento, el espacio intermembrana, y por dentro de la membrana interna se encuentra la matrizmitocondrial. Sobre la membrana interna y en la matriz se ubican una gran cantidad de enzimas que participan en la fasedependiente de oxígeno de la respiración celular . La función de las mitocondrias es, por lo tanto, la de proveer energía para efuncionamiento celular. La energía que se libera de los combustibles durante la respiración celular se almacena temporalmente en unamolécula llamada ATP (sigla del nucleótido adenosín trifosfato). La mitocondria es la principal proveedora de ATP de la célula.Las mitocondrias poseen su propio ADN, así como ribosomas (más pequeños que los citoplasmáticos) y otros tipos de ARN. Parte dela información genética necesaria para el funcionamiento de las mitocondrias está contenida en su ADN; además pueden llevar a cabola traducción. Las mitocondrias son autorreplicantes, se originan por división de las preexistentes.

Peroxisomas

Los peroxisomas son orgánulos membranosos. Contienen enzimas que participan en procesos oxidativos; algunas de ellas tiendena formar un cuerpo cristalino. Son, junto con las mitocondrias, los organoides donde se consume el oxígeno que llega a las células,aunque, a diferencia de lo que ocurre en las mitocondrias, las reacciones que transcurren en los peroxisomas no generan ATP.

Especialmente en células hepáticas, las reacciones oxidativas de los peroxisomas posibilitan la metabolización de sustancias tóxicascomo el etanol o alcohol etílico. El peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) se forma como producto de estas reacciones dedetoxificación. Una enzima característica del peroxisoma es la catalasa, que cataliza la descomposición del exceso de peróxido dehidrógeno allí generado.





Los peroxisomas no están relacionados con el sistema de endomembranas; cada peroxisoma se origina por división o fisión binaria apartir de otro preexistente y luego crece por incorporación de proteínas captadas selectivamente desde el citosol y lípidos demembrana intercambiados con el REL.

Centríolos

Los centríolos se encuentran por pares y forman el centrosoma o centro celular junto con la matriz que los rodea (matrizpericentriolar). Desde allí irradian los microtúbulos citoplasmáticos. Los mismos centríolos son cilindros huecos cuyas paredes estánformadas por nueve tripletes de microtúbulos. Se duplican antes de la división celular y en el transcurso de ésta se incorporan aaparato mitótico. Al final de la división celular cada célula hija recibe un par de centríolosLos centríolos dan origen a las cilias y los flagelos, prolongaciones móviles que están presentes en algunos tipos celulares.





Cilias y flagelos

Las cilias y los flagelos son prolongaciones móviles del citoplasma recubiertas pola membrana plasmática, que se presentan en algunos tipos celulares.

Las cilias son apéndices cortos y numerosos; los flagelos son prolongaciones de

mayor longitud y se presentan uno o unos pocos por célula. En el organismohumano, las únicas células flageladas son los espermatozoides. El flagelo formala cola que propulsa al espermatozoide en el semen y dentro del tracto genitafemenino.

Las cilias también actúan como estructuras locomotoras en organismosunicelulares o pluricelulares muy simples, como ciertos protozoos o algas, a loscuales dotan de una locomoción similar al movimiento a remo. Sin embargo

cuando las células ciliadas forman parte de un tejido, las cilias son utilizadas para generar corrientes en el medio que las rodea. Elhombre presenta células ciliadas en el epitelio de la vía respiratoria; allí, el movimiento ciliar produce el desplazamiento hacia eexterior de la capa de moco donde quedan atrapadas las partículas que ingresan con el aire. En las trompas de Falopio el movimientociliar sirve al fin de atraer el óvulo liberado desde el ovario hacia la cavidad abdominal.

La estructura de las cilias y los flagelos, sin embargo, es la misma. Ambos están rodeados por una prolongación de la membranaplasmática que toma el nombre de axolema. Por dentro se encuentra el axonema, formado por microtúbulos, los que se disponen ennueve dobletes periféricos más un par de microtúbulos centrales (estructura 9+2). Otras proteínas asociadas a los microtúbulos lesayudan a mantener esta organización característica. De cada doblete periférico, además, se proyectan a intervalos regulares dosbrazos formados por la dineína ciliar , proteína emparentada con la dineína citoplasmática ya mencionada, que actúa como proteínamotora.

En la base de la cilia o el flagelo se ubica el cuerpo basal, formado por nueve tripletes de túbulos. Su estructura se conoce como 9+0(pues carece de los microtúbulos centrales que se encuentran en el axonema). La estructura del cuerpo basal es igual a la delcentríolo. Centríolos y cuerpos basales pueden darse origen unos a otros. Las cilias y flagelos crecen a partir del cuerpo basal.





2.2. SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS

Una de las características distintivas de las células eucariotas respecto de las procariotas es su alto grado de compartimentalización

La presencia de un núcleo bien diferenciado, con una envoltura nuclear que confina el material genético al interior del núcleo, es sóloun aspecto de la separación espacial de funciones dentro de la organización celular. El citoplasma, a su vez, se encuentra recorridoen todas direcciones por un sistema de sacos y túbulos, cuyas paredes de membrana ofician de límite entre la matriz citoplasmática yla luz o cavidad del sistema. Este conjunto de estructuras membranosas, incluida la envoltura nuclear, se conoce como sistema deendomembranas (SE) o sistema vacuolar citoplasmático (SVC).

2.3.1. COMPONENTES DEL SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS

Dentro del sistema de endomembranas se distinguen los siguientes elementos:

a) Retículo endoplasmático granular o rugoso (REG o RER). Es un grupo de cisternas aplanadas que se conectan entre sí mediantetúbulos. Presente en todos los tipos celulares, se halla especialmente desarrollado en las células secretoras de proteínas. El REG

ofrece una cara citosólica tachonada de ribosomas, a los que debe su aspecto rugoso. Los ribosomas se unen a las membranas deREG por su subunidad mayor, mediante receptores específicos, las proteínas integrales de las membranas cisternales conocidascomo riboforinas.

b) Retículo endoplasmático agranular o liso (REA o REL). Su aspecto es más tubular y carece de ribosomas. Es poco conspicuo en lamayoría de las células, pero alcanzaun notable desarrollo en las célulassecretoras de hormonas esteroides.

c) Aparato o complejo de Golgi.Constituido por sacos discoidalesapilados, como mínimo en número de

tres, rodeados por pequeñasvesículas. Cada saco presenta unacara convexa y otra cóncava, estaúltima orientada hacia la superficiecelular. En las células animales seubica típicamente entre el núcleo y elpolo secretor de la célula, en tanto enlas células vegetales aparecefragmentado en varios complejosdenominados dictiosomas ogolgiosomas.

d) Envoltura nuclear. Doble membranaque encierra una cavidad, la cisternaperinuclear, en directa continuidad conla luz del REG, del cual se considerauna dependencia. Al igual que éste,presenta ribosomas sobre la caracitosólica. Durante la división celularse desorganiza y se fragmenta encisternas que se incorporan al REG. Al finalizar la división, la envoltura nuclear se reconstituye a partir de aquél.





Fig. 5.1 - El sistema de endomembranas

Funciones del sistema de endomembranas

El sistema de endomembranas es asiento de enzimas que

participan en la síntesis de diversos tipos de macromoléculasproteínas y glucoproteínas en el REG, lípidos en el REL y glúcidoscomplejos en el aparato de Golgi. A la vez, el SVC proporciona unavía intracelular para la circulación de sus productos y una secciónde ―empaque‖ para la exportación de algunos de ellos. Por últimomaneja un sistema de señales que le permite dar a los mismos edestino final para el cual fueron sintetizados,

ya sea en el interior de la célula o en el medio extracelular. Algo ascomo un ―estampillado‖, un sistema de códigos postales que guía alas moléculas en la dirección correcta.

La vía de tránsito intracelular implica un transporte desde el REhasta el aparato de Golgi; a partir de éste hay dos caminosposibles: hacia las vesículas de secreción y desde allí a lamembrana plasmática, o bien hacia los lisosomas.

Fig. 5.2 - Vías de tránsito intracelular en el SE





El transporte vesicular

El transporte en el SVC se lleva a cabo por medio de vesículas, pequeñas bolsas limitadas por membrana que se desprenden comobrotes de un compartimento dador y viajan por el citosol hasta alcanzar el compartimento receptor; entonces se fusionan a este último

Hay varios aspectos que interesa destacar con respecto al transporte vesicular:

Fig. 5.3- Transporte vesicular

¿Qué transportan las vesículas? Cada vesícula tiene un continente (la membrana) y un contenido (su naturaleza dependerá de cuásea el compartimento dador); ambos se desplazan de un compartimento a otro. Cuando se produce la fusión al compartimentoreceptor, el contenido de la vesícula se vuelca al lumen del mismo. La membrana vesicular, por su parte, se incorpora a la membranareceptora. Si la estructura diana es la membrana plasmática, entonces el contenido es vertido al medio.

¿Qué mueve a las vesículas? En su trayecto de una cisterna a otra, las vesículas son movidas por elementos del citoesqueleto.





Fig. 5.4- Vesículas revestidas

¿Qué causa la brotación? Las vesículas que participan en el transporte, cualquiera sea el compartimento de origen, son vesículasrevestidas. Se entiende por tales a las vesículas que llevan una cubierta formada por subunidades proteicas ensambladas a modo deenrejado sobre la cara externa de la membrana vesicular. Dicho revestimiento es adquirido en el momento en que se produce lagemación o protrusión de la vesícula y es su misma causa: a medida que las subunidades se ensamblan generan la curvatura de lamembrana que da origen al brote. El revestimiento se desensambla inmediatamente después de la brotación; este paso es necesariopues mientras las vesículas se hallan revestidas no pueden fusionarse con otra membrana.

¿Cómo reconocen las vesículas al compartimento receptor? Las membranas de las cisternas poseen pares de moléculascomplementarias: v-SNARE (en la vesícula de transporte) y t-SNARE (en la cisterna destino o target). La fusión de una vesícula conuna cisterna sólo se produce previo reconocimiento del par v-SNARE /t-SNARE adecuado.

Fig. 5.5 - Reconocimiento del compartimento receptor: v-SNARE = vesicle-SNAP receptor, t-SNARE = target-SNAP receptor

¿Cómo se mantiene constante la cantidad de membrana en cada compartimento? Las membranas vesiculares incorporadas a uncompartimento receptor forman un nuevo brote (causado por proteínas de revestimiento) y se desprenden para regresar al

compartimento de origen, como vesículas de reciclaje. El compartimento de origen, obviamente, ha de poseer las mismas t-SNAREque la cisterna receptora. El reciclaje no sólo permite mantener constante la cantidad de membrana de los distintos sectores desistema, también hace posible que cada uno de ellos conserve su identidad, recuperando las moléculas que le son propias y leotorgan sus funciones particulares.





Fig. 5.6- Reciclaje de membrana

¿Puede la membrana transportada permanecer como componente del compartimento receptor? Sí. De hecho, éste es el mecanismopor el cual las cisternas y la membrana plasmática incorporan nuevos componentes y crecen.

¿Cómo se corresponden las caras del sistema de endomembranas con las caras de la membrana celular? Como consecuencia detránsito vesicular, las moléculas de membrana sintetizadas en el RE (liso y rugoso) o en el aparato de Golgi, llegan a integrarse a lamembrana celular. Sabemos, por otra parte, que la membrana plasmática es asimétrica: los componentes lipídicos de ambasmonocapas – la citosólica y la extracelular – son diferentes, los dominios proteicos tienen una orientación definida dentro de la bicapay los restos glucídicos de glucolípidos y glucoproteínas sólo se orientan hacia el medio extracelular. ¿Dónde se genera esta asimetría?Se genera en los compartimientos de origen, donde los componentes de membrana adoptan su orientación definitiva; luego, etransporte vesicular se limita a mantener dicha orientación. De esta forma, todo aquello que tiene una posición luminal en el sistemade endomembranas, pasa a una ubicación extracelular en la membrana celular, en tanto que los componentes de la cara citosólica desistema se integran a la cara citosólica de la membrana celular.

Fig. 5.7- Asimetría de las membranas. Correspondencia entre el SE y la membrana plasmática.





VESÍCULAS REVESTIDAS

Se conocen hasta el momento dos tipos de vesículas revestidas: las vesículas con revestimiento de clatrina y las vesículas conrevestimiento de coatómero.

El revestimiento de clatrina se ensambla a partir de subunidades constituidas por seis cadenas proteicas enlazadas, los trisqueliones

que forman alrededor de la vesícula un enrejado donde alternan hexágonos y pentágonos, con el aspecto de una cúpula geodésicaLlevan cubierta de clatrina las vesículas que brotan del aparato de Golgi hacia los lisosomas, las vesículas de secreción regulada y lasformadas por endocitosis.

El revestimiento de coatómero se forma a partir de las COP (por proteínas del coatómero). Está presente en las vesículas que viajandel RE al aparato de Golgi, las que realizan transporte dentro de este complejo, las destinadas a la secreción continua y en todas lasvesículas recicladoras.

Tanto la cubierta de clatrina como la de coatómero se unen a membrana sólo después de que otra molécula, el ARF (factor deribosilación del ADP) se haya fijado a la misma. El revestimiento promueve la deformación de la membrana y la gemación de lavesícula, en tanto que el ARF le señala dónde y cuándo hacerlo.

Si la cubierta sólo es importante para la gemación -proceso que es básicamente el mismo en cada orgánulo- ¿por qué necesitadiversos tipos de cubierta la célula? La razón más probable es que la cubierta seleccione la carga que ha de empacarse en cadavesícula. En algunos casos, las proteínas transportadas se localizan en la membrana, directamente unidas a la cubierta. En otros, lacarga se fija a la cubierta a través de un intermediario, un receptor, localizado en el espesor de la membrana. El uso de cubiertasdistintas posibilitaría el flete de cargas diferentes desde un mismo punto de origen y desde diferentes departamentos.

Fig. 5.8- Participación de la clatrina y las COP en la selección del cargamento

FUNCIONES DEL RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO

a) Síntesis de lípidos. En las membranas del REL se sitúan las enzimas responsables de la síntesis de la mayor parte de los lípidoscelulares: triglicéridos, fosfoglicéridos, ceramidas y esteroides. Los precursores para la síntesis provienen del citosol, hacia el cual seorientan los sitios activos de las respectivas enzimas. Por lo tanto, los lípidos recién sintetizados quedan incorporados en la monocapacitosólica del REL. Sin embargo, gracias a la participación de las flipasas del retículo, se logra el movimiento hacia la monocapaluminal de los lípidos correspondientes, asegurándose de esta forma la asimetría entre ambas capas, que será mantenida de aquí enmás.





b) El REL en las células musculares. El REL actúa como reservorio de calcio, el cual –frente a la llegada de un estímulo - es liberadoal citosol, donde dispara una respuesta específica. Esta función es particularmente importante en las células musculares. Allí el RELque toma el nombre de retículo sarcoplásmico, adopta una conformación muy especializada. El calcio es liberado frente al impulsonervioso desencadenado por la acetil colina en la unión neuromuscular, y una vez en el citosol participa en la contracción muscularCuando retorna al REL, por la acción de una bomba de calcio, se produce la miorrelajación.

c) El REL en las células hepáticas. Está involucrado en dos funciones: detoxificación y glucogenólisis. La detoxificación consiste en latransformación de metabolitos y drogas en compuestos hidrosolubles que puedan ser excretados por orina.

La glucogenólisis (degradación del glucógeno) tiene lugar en el citosol, donde los gránulos de glucógeno se encuentran en íntimarelación con el REL. El producto de la glucogenólisis, la glucosa 6-fosfato (glucosa 6-P), es atacada entonces por la glucosa 6-fosfatasa, enzima de la membranas del retículo. Ésta cataliza la hidrólisis del grupo fosfato, permitiendo así que la glucosa atraviese lamembrana celular hacia el torrente circulatorio. La glucosa 6-fosfatasa no se expresa en las células musculares, razón por la cual elglucógeno muscular no contribuye a la mantención de la glucemia.

FUNCIONES DEL RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO O GRANULAR

a) Síntesis de proteínas. Todas las proteínas sintetizadas en la célula (excepto las codificadas por ADN de mitocondria y cloroplasto)

son iniciadas por ribosomas libres del citosol. Muchas de ellas, las proteínas nucleares, las citosólicas y las que están destinadas acloroplastos, mitocondrias o peroxisomas, concluyen su síntesis en dichos ribosomas para luego dirigirse, por el citosol, hacia suscompartimentos diana. Otras, en cambio, como las proteínas integrales de membrana, las de secreción y las enzimas lisosomalesterminan su síntesis en el REG. ¿Cómo se dirige la síntesis hacia uno de estos dos ramales? ¿Existen diferentes poblaciones deribosomas? ¿Dónde radica la señal que conduce a determinadas proteínas hacia el REG?

Fig. 5.9- Síntesis de proteínas en el REG. Hipótesis de la señal.

La respuesta a estos interrogantes fue proporcionada por Blobel y Sabatini, en el año 1971, cuando propusieron su hipótesis de laseñal, ampliamente corroborada después. Las proteínas que se sintetizan en el REG tienen en su extremo aminoterminal unaseguidilla de aproximadamente treinta aminoácidos cuyos radicales son predominantemente hidrófobos. Este primer fragmento de lasproteínas recibe el nombre de péptido señal o péptido guía. No aparece péptido guía en las proteínas del citosol, núcleo, mitocondriacloroplasto ni peroxisoma. Cuando el péptido guía está presente, es reconocido por la PRS (partícula de reconocimiento de la señal





situada en el citosol. La PRS interactúa con el péptido señal y detiene la síntesis temporariamente. Entonces el ribosoma se une a lasmembranas del REG. Recordemos que allí se ubican las riboforinas (receptores de ribosomas). También hay receptores para la PRSUna vez que el ribosoma se adhiere a las membranas reticulares, entonces el péptido guía ingresa en un canal transmembranar, laPRS se separa y la traducción se reanuda. A medida que la proteína crece, se vuelca hacia el lumen del REG: la síntesis proteica y latranslocación a través de la membrana son simultáneas (cotraslación).

Fig. 5.10- Sïntesis de proteínas en el REG. Cotraslación

Las proteínas que carecen de péptido señal no son reconocidas por la PRS; por este motivo no se dirigen hacia el sistema deendomembranas y su síntesis se completa en el citosol. Muchas de ellas atraviesan otras membranas con posterioridad(postraslación) para alcanzar su localización definitiva. Se han encontrado otras secuencias aminoacídicas, distintas del péptido señalque actúan como marcas para dirigirlas a sus respectivos destinos.

Las proteínas sintetizadas en el REG pueden dividirse en dos grandes grupos: membranares y luminales o solubles. Lasmembranares permanecen incluidas en la membrana, en algunos casos ligadas a ella mediante el péptido señal; en otras, secuenciasde aminoácidos internas a la cadena funcionan como péptidos de anclaje, deteniendo la translocación de la proteína por el canalSegún la cantidad de secuencias de anclaje que presentan, hay proteínas de paso único o proteínas multipaso. Las proteínasintrínsecas insertas en la membrana a nivel del REG se retienen como componentes de este organoide o son transportadas envesículas, formando parte del ―envase‖, hasta incorporarse a otras membranas del sistema o a la propia membrana plasmática.





Fig. 5.11 a - Inserción de proteínas integrales en la membrana del REG

Fig. 5.11 b- Inserción de proteínas integrales de multiple paso en la membrana del REG

Las proteínas solubles no conservan el péptido señal ni poseen otros péptidos de anclaje. Cuando el péptido señal es escindido de lacadena (en este corte actúa una peptidasa señal ubicada en la cara luminal de las cisternas), ésta pierde contacto con la membrana yse vuelca por completo al lumen. Si las proteínas solubles no son residentes del REG, entonces siguen su ruta, en este caso como

contenido de las vesículas transportadoras. Podemos citar en este grupo a las proteínas de secreción y a las hidrolasas lisosomales.

Glicosilación. La mayor parte de las proteínas sintetizadas en el REG incorporan cadenas glucídicas a su paso por el mismo. Lapresencia en la cadena polipeptídica de la secuencia de aminoácidos asparagina –x-serina o asparagina –x –treonina (x es otroaminoácido cualquiera), señal de glicosilación, marca el sitio donde se unirá el glúcido. Todas las glucoproteínas sintetizadas en eREG reciben el mismo oligosacárido: una cadena ramificada de doce unidades de monosacárido.

Fig. 5.12- Glicosilación nuclear.





Ésta se sintetiza sobre un lípido de membrana -el dolicol-fosfato -, y luego es transferida en bloque a la asparagina de la señal deglicosilación (se forma un enlace N-glicosídico). En la síntesis del oligosacárido y su posterior transferencia participan las enzimasglicosiltransferasas. El glúcido se adiciona tantas veces como aparezca en la proteína la señal de glicosilación. Mientras laglucoproteína aún se halla en el REG, enzimas glicosidasas remueven algunas unidades de monosacárido, al tiempo que distintasglicosiltransferasas añaden otras nuevas. Se produce así la diversidad de cadenas a partir del primer bloque transferido. Un núcleo deoligosacárido original, no obstante, se conserva hasta el final en todas las glucoproteínas, de allí que esta glicosilación reciba enombre de glicosilación nuclear.

FUNCIONES DEL APARATO DE GOLGI

El aparato de Golgi es la estación distribuidora final del sistema. Las macromoléculas sintetizadas en REL y REG llegan a él mediantetransporte vesicular y son recibidas en la cara convexa del aparato o cara de recepción, donde se encuentra una zona de transicióncon el RE, la red cis. Desde allí, por el mismo mecanismo, son enviadas a la cisterna cis, luego a la medial, y por último alcompartimento trans del complejo de Golgi, que se corresponde con su cara cóncava. A partir de otra zona de transición, la red deltrans Golgi, brotan las vesículas que contienen los productos definitivos.

El complejo de Golgi no se limita al transporte de las sustancias recibidas. En este sector, por el contrario, se da la forma final a lasmoléculas que ingresan. En el aparato de Golgi tienen lugar las siguientes reacciones:

Glicosilación terminal. Es la modificación secuencial, por remoción y adición de monosacáridos, de las glucoproteínas sintetizadas enel REG. También se adicionan nuevos bloques oligosacáridicos construidos por completo en el aparato de Golgi, proceso denominadoO-glicosilación (el enlace entre el glúcido y el resto de aminoácido es unión O-glicosídica).

Síntesis de heteropolisacáridos. Los heteropolisacáridos constituyentes de los glicosaminoglicanos (GAG) se sintetizan en el aparatode Golgi y se unen a las proteínas provenientes del REG, ensamblando moléculas complejas como el ácido hialurónico o el condroitínsulfato destinados a la matriz extracelular de las células animales. En las células vegetales, el aparato de Golgi sintetiza polisacáridosde la pared celular, por ejemplo hemicelulosas y pectinas.

Síntesis de glucolípidos. Se adiciona la porción glucídica a la ceramida sintetizada en el REL.

Secreción

Las vesículas que brotan de la cara trans portan los productos acabados destinados al medio extracelular. La fusión de dichasvesículas con la membrana plasmática –exocitosis- da como resultado la secreción o exportación de diversas sustancias: enzimashormonas, moléculas de la matriz extracelular o de la pared celular, anticuerpos y otras, según el tipo celular.

Hay dos rutas secretorias: la continua o constitutiva y la discontinua o regulada.

La secreción continua o constitutiva está presente en todos los tipos celulares. Las vesículas que siguen esta ruta se exocitan enforma continua, a medida que brotan del aparato de Golgi. Por ejemplo, se secretan por esta vía las moléculas que se incorporan a lamatriz extracelular.





Fig. 5.13- Secreción

La secreción regulada, en cambio, es propia de células secretoras especializadas. En estos casos, las vesículas se acumulan en epolo secretor de la célula, como gránulos de secreción, y la exocitosis se dispara sólo ante señales muy específicas. Por ejemplo, lascélulas b de los islotes de Langerhans (en el páncreas), contiene gránulos de insulina que son exocitados en respuesta a unaelevación de la glucemia. La secreción regulada requiere también un aumento de la concentración de calcio citosólico.

Formación de lisosomas primarios

Los lisosomas primarios son organoides derivados del sistema de endomembranas. Cada lisosoma primario es una vesícula que brotadel aparato de Golgi, con un contenido de enzimas hidrolíticas (hidrolasas). Las hidrolasas son sintetizadas en el REG y viajan hastael aparato de Golgi por transporte vesicular. Allí sufren una glicosilación terminal de la cual resultan con cadenas glucídicas ricas enmanosa-6-fosfato (manosa 6-P). La manosa 6-P es el marcador molecular, la ―estampilla‖ que dirige a las enzimas hacia la ruta de los

lisosomas. Se ha estudiado una enfermedad en la cual las hidrolasas no llevan su marcador; las membranas del aparato de Golgi nolas reconocen como tales y las empacan en vesículas de secreción para ser exocitadas. Quienes padecen esta enfermedad acumulanhidrolasas en el medio extracelular, mientras sus células carecen de ellas.

Lisosomas y digestión: heterofagia y autofagia

Los lisosomas primarios contienen una variedad de enzimas hidrolíticas capaces de degradar casi todas las moléculas orgánicasEstas hidrolasas se ponen en contacto con sus sustratos cuando los lisosomas primarios se fusionan con otras vesículas. El productode la fusión es un lisosoma secundario. Por lo tanto, la digestión de moléculas orgánicas se lleva a cabo en los lisosomassecundarios, ya que éstos contienen a la vez los sustratos y las enzimas capaces de degradarlos.

Existen diversas formas de lisosomas secundarios, según el origen de la vesícula que se fusiona con el lisosoma primario:

Fagolisosoma: se origina de la fusión del lisosoma primario con una vesícula procedente de la fagocitosis. Se encuentran, poejemplo, en los glóbulos blancos, capaces de fagocitar partículas extrañas que luego son digeridas en estos cuerpos.

Endosoma tardío: surge al unirse los lisosomas primarios con materiales provenientes de los endosomas tempranos. Los endosomastempranos contienen macromoléculas que ingresan por los mecanismos de endocitosis inespecífica y endocitosis mediada porreceptor. Este último es utilizado por las células para incorporar, por ejemplo, las lipoproteínas de baja densidad o LDL.





Fig. 5.14- Endosoma temprano y tardío

Autofagolisosoma: es el producto de la fusión entre un lisosoma primario y una vacuola autofágica. Algunos organoidescitoplasmáticos son englobados en vacuolas, con membranas provistas por las cisternas del RE, para luego ser reciclados cuandoestas vacuolas autofágicas se unen con los lisosomas primarios.

La digestión que tiene lugar en los lisosomas secundarios, ya se trate de una heterofagia- hidrólisis de sustancias de origen exógeno-o de una autofagia –degradación de componentes celulares- da origen a moléculas más sencillas que atraviesan la membranalisosomal, es decir son absorbidas por el citosol para su posterior asimilación.

Lo que queda del lisosoma secundario después de la absorción es un cuerpo residual. Los cuerpos residuales contienen desechos nodigeribles que en algunos casos se exocitan y en otros no, acumulándose en el citosol a medida que la célula envejece. Un ejemplode cuerpos residuales son los gránulos de lipofuscina que se observan en células de larga vida, como las neuronas.

La activación de las hidrolasas requiere un medio más ácido que el citosol, de pH 5, que se logra por la acción de una bomba deprotones situada en la membrana lisosomal. Por otra parte, la membrana de los lisosomas es impermeable a las enzimas y resistentea la acción de éstas. Ambos hechos protegen normalmente a la célula de una batería enzimática que podría degradarla. Existen, sinembargo, algunos procesos patológicos, como la artritis reumatoidea, que causan la destrucción de las membranas lisosomales, conla consecuente liberación de las enzimas y la lisis celular. En otros casos, la liberación de las hidrolasas cumple un papel fisiológico,permitiendo la reabsorción de estructuras que ya no son útiles, por ejemplo la cola de los renacuajos durante la metamorfosis.





Fig. 5.15- Autofagia y Heterofagia

PEROXISOMAS

Los peroxisomas, organoides presentes en todas las células eucariontes, son vesículas ovoideas de aproximadamente 0,5 mm, que aigual que los lisosomas están rodeadas por una membrana simple y contienen enzimas en su interior. Esta quizá sea la únicasimilitud, pues se originan al igual que las mitocondrias por un proceso de fisión binaria, en este caso de peroxisomas preexistentes.Las enzimas que contienen en su matriz se incorporan desde el citosol, siendo sintetizadas en ribosomas libres. Según el tipo deenzimas que posean, existen muchos tipos de peroxisomas.

La principal enzima de los peroxisomas es la catalasa, que descompone el peróxido de hidrógeno producido en el peroxisoma o eoriginado en otras localizaciones, como el citosol, RE y las mitocondrias. La actividad de la catalasa es la única común a todos lostipos de peroxisomas.

En el peroxisoma, se reduce el oxígeno molecular en dos pasos. En el primero una oxidasa elimina los electrones de varios sustratoscomo aminoácidos o ácido úrico. En el segundo, la catalasa, convierte el peróxido de hidrógeno, formado en el primer paso en agua.

La catalasa también participa en la neutralización de los aniones superóxido, O 2- (radicales libres). Estos radicales son primero

eliminados con formación de H2O2 por la superóxido dismutasa, y luego la catalasa de los peroxisomas convierte al H2O2 en H2O y O2.

La catalasa también neutraliza con consumo de H2O2, sustancias tóxicas, como fenoles, formaldehído y el etanol de las bebidasalcohólicas, por eso son más numerosos en el tejido hepático y renal.

Contiene además diferentes oxidasas, como la D-aminooxidasa, urato oxidasa y las responsables de la b-oxidación de los ácidosgrasos (este proceso tiene lugar principalmente en la mitocondria). Todas estas enzimas oxidan sus sustratos produciendo energíatérmica en lugar de ATP.

En las células vegetales, encontramos glioxisomas, que son peroxisomas especializados en el metabolismo de los triacilgliceridos.

Las enzimas de los glioxisomas, transforman los ácidos grasos de las semillas en hidratos de carbono por la vía del glioxilato.





Los glioxisomas, también juegan un papel central en la fotorrespiración (se denomina así dicho proceso por requerir luz y O2 y liberaCO2), que tiene lugar en las hojas de las plantas verdes en los días de calor intenso y baja humedad ambiente.

En los glioxisomas, se cataliza la oxidación del glicocolato a H 2O2 y glioxilato con consumo de oxígeno. Luego el H 2O2 formado esdescompuesto y el glioxilato es transformado en glicina, la cual ingresa al ciclo de Krebs.

2.3. El núcleo El núcleo es la estructura más destacada de la célula eucarionte, tanto por su morfología como por sus funciones. Su tamaño esvariable (5 a 10 mm) al igual que su ubicación siendo en la mayoría de los tipos celulares central.

El núcleo tiene tres funciones primarias, todas ellas relacionadas con su contenido de ADN. Ellas son:

1. Almacenar la información genética en el ADN.2. Recuperar la información almacenada en el ADN en la forma de ARN.3. Ejecutar, dirigir y regular las actividades citoplasmáticas, a través del producto de la expresión de los genes: las proteínas.

En el núcleo se localizan los procesos a través de lo cuales se llevan a cabo dichas funciones. Estos procesos son:

1. La duplicación del ADN y su ensamblado con proteínas (histonas) para formar la cromatina.2. La transcripción de los genes a ARN y el procesamiento de éstos a sus formas maduras, muchas de las cuales son transportadas acitoplasma para su traducción y3. La regulación de la expresión genética.

ESTRUCTURA DEL NÚCLEO (Fig. 10.1)

El núcleo está rodeado por la envoltura nuclear , una doble membrana interrumpida por numerosos poros nucleares. Los porosactúan como una compuerta selectiva a través de la cual ciertas proteínas ingresan desde el citoplasma, como también permiten lasalida de los distintos ARN y sus proteínas asociadas.

La envoltura nuclear es sostenida desde el exterior por una red de filamentos intermedios dependientes del citoesqueleto, mientrasque la lámina nuclear , la cual se localiza adyacente a la superficie interna de la envoltura nuclear, provee soporte interno.

El núcleo también tiene un nucleoplasma, en el cual están disueltos sus solutos y un esqueleto filamentoso, la matriz nuclear la cuaprovee soporte a los cromosomas y a los grandes complejos proteicos que intervienen en la replicación y transcripción del ADN.

Los cromosomas aparecen ocupando lugares específicos. Los genes que codifican productos relacionados, aunque estén localizadosen diferentes cromosomas, pueden estar ubicados próximos en el núcleo interfásico. Por ejemplo, los cromosomas humanos 13, 1415, 21 y 22 poseen un gran número de genes que codifican para ARNr. Dichos cromosomas están agrupados de tal forma que losgenes de los ARNr están todos juntos y confinados en el nucléolo, el lugar donde se sintetizan, procesan y ensamblan los ARNr. Estaseparación física asegura que los ARNr puedan ser eficientemente ensamblados dentro de las subunidades ribosomales.

En el núcleo, los genes transcripcionalmente activos tienden a estar separados de los inactivos. Los activos se encuentran ubicadoscentralmente, mientras que los silentes están confinados próximos a la envoltura nuclear.

Tan pronto como las células entran en mitosis o meiosis, los fragmentos de la matriz nuclear dirigen la condensación de loscromosomas, constituyéndose en la parte central de los mismos.





Fig. 10.1 - Esquema de un núcleo interfásico

LA ENVOLTURA NUCLEAR

La envoltura está formada por dos membranas concéntricas interrumpidas por poros nucleares y por la lámina nuclear.

Fig. 10.2- Microfotografía electrónica de la envoltura nuclear

Las membranas delimitan un espacio de 10 a 50 nm, el espacio o cisterna perinuclear. La membrana externa en contacto con e

citoplasma tiene ribosomas adheridos, que sintetizan las proteínas que se vuelcan al espacio perinuclear. El espacio perinuclear secontinua con el REG.

La membrana interna posee proteínas integrales que le son propias, que se unen a la lámina nuclear y a los cromosomas.

La lámina nuclear, capa fibrosa de 10 a 15 nm en la que apoya la membrana interna, está formada por proteínas del tipo de losfilamentos intermedios, polímeros de lamina o laminina nuclear. Ellas se unen a las proteínas integrales de membrana.





La fosforilación de las laminas provoca el desensamble de la lámina nuclear causando la ruptura de la envoltura al inicio de la divisióncelular.

La lámina nuclear confiere estabilidad mecánica a la envoltura nuclear. Además, al interactuar con la cromatina participa en ladeterminación de la organización tridimensional del núcleo interfásico.

Si bien la formación de la lámina no se requiere durante los pasos iniciales, la organización de la envoltura es indispensable para ecrecimiento posterior y el mantenimiento de su integridad. Las laminas se incorporan luego que la cisterna perinuclear rodea al ADN yse inicia el transporte entre el núcleo y el citoplasma. (Fig. 10.3)

La envoltura nuclear es un derivado del sistema de endomembranas, siendo esto evidente al inicio de la división celular, cuando laenvoltura se desorganiza y pasa a formar parte del sistema de cisternas y vesículas del retículo endoplásmico.

La aparición de la envoltura nuclear permitió que los eucariontes aislaran los procesos genéticos principales, como la autoduplicacióndel ADN o la síntesis de ARN. Además esto posibilitó que el ARNm se modifique dentro del núcleo antes de ser traducido en losribosomas. Estas modificaciones no ocurren en los procariontes, ya que a medida que la ARN polimerasa sintetiza el ARN,simultáneamente el extremo 5‘ se une al ribosoma y comienza la traducción.

Fig. 10.3 - Mecanismo de formación y desintegración de la membrana nuclear

COMPLEJOS DE PORO NUCLEAR

La envoltura nuclear presenta estructuras discoidales llamadas complejos de poro nuclear (CPN) (Fig. 10.4).

El número de CPN es variable, incrementándose a medida que aumenta la actividad celular. En una célula de mamífero hay entre3000 a 4000 complejos de poro. Cada CPN es una estructura macromolecular compleja constituida por un gran número de proteínasde disposición octamérica. Está formado por:





o por ocho unidades proteicas.

Proteínas de anclaje que fijan cada columna al espacio perinuclear.

ma

lo largo deestas fibrillas se ubican nucleoporinas que intervienen en el transporte de sustancias a través del poro.

central o abertura.

Fig. 10.4 - Esquema del complejo de poro nuclear

La luz de los CPN suele presentarse obturada por las proteínas que circulan a través del poro, como por las carioportinas (Kap) queactúan como eficientes transportadores en el tráfico núcleo/citoplasma.

Los CPN presentan uno o varios canales acuosos a través de los cuales las pequeñas moléculas solubles en agua difunden(transporte no regulado). Las moléculas de mayor peso molecular son transportadas en forma activa, por lo que requieren energía ymoléculas transportadoras.

Se importan dentro del núcleo:

Las proteínas sintetizadas en el citoplasma necesarias para ensamblar los ribosomas.

ctores de empalme necesarios en el proceso de maduración de los ribosomas.





Fig. 10.5 - Modelo de mecanismo de importación a través del CPN

EXPORTACIÓN DE ARN

Los ARN maduros se asocian a proteínas llamadastransportinas, las cuales actúan como transbordadorespermitiendo el pasaje de ARN al citoplasma. En la fig. 10.6 seesquematiza como el ARNm es llevado fuera del núcleo. LosARNm maduros que presentan la poli A se asocian con variasproteínas, formando una partícula de ribonucleoproteína (RNP).Estas partículas se mueven linealmente a través de la canastanuclear. Al igual que las importinas, las RNP son recicladas haciael núcleo. En el citoplasma, las CRBP ( del inglés, cytoplasmicRNA-binding proteins) reemplazan a las RNP para guiar a losARNs a sus destinos citosólicos correctos.

Fig. 10.6 - Modelo de mecanismo de exportación de ARNm através del CPN.

CROMOSOMAS Y CROMATINA





El núcleo contiene los cromosomas de la célula. Cada cromosoma consiste en una molécula única de ADN con una cantidadequivalente de proteínas. Colectivamente, el ADN con sus proteínas asociadas se denomina cromatina. La mayor parte de lasproteínas de la cromatina consisten en copias múltiples de cinco clases de histonas.

Estas proteínas básicas son ricas en residuos de arginina y lisina cargados positivamente. Por esta razón se unen estrechamente conlos grupos fosfatos (cargados negativamente) del ADN.

La cromatina también contiene pequeñas cantidades de una amplia variedad de proteínas no histónicas y RNP. La mayoría de ellasson factores de transcripción (por ej., el receptor esteroide), siendo su asociación con el ADN pasajera. Estos factores regulan queparte del ADN será transcripta en ARN.

NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA CROMATINA

La observación a través del microscopio óptico de un núcleo interfásico, nos permite distinguir dos tipos de cromatina. Laeucromatina o cromatina laxa, de localización central, y la heterocromatina o cromatina densa, en la periferia del núcleo (Fig.10.7). Laheterocromatina representa aproximadamente el 10% del total de cromatina y es considerada transcripcionalmente inactiva (Fig10.8).

La eucromatina se encontraría al menos en dos estados, la eucromatina accesible, que representa alrededor del 10%, donde seencuentran los genes que se están transcribiendo y la eucromatina poco accesible, más condensada (pero menos que laheterocromatina), donde están los genes que la célula no está transcribiendo.

Si el núcleo celular se incuba con nucleasas, enzimas que digieren el ADN, las secuencias que primero se digieren son las que portanlos genes expresados por la célula, lo que corrobora el menor grado de condensación de la eucromatina.

Fig. 10.7 - Microfotografía electrónica del núcleo de un hepatocito. a. eucromatina; b. RER





Fig. 10.8 - Microfotografía electrónica del núcleo de un linfocito. a. eucromatina; b. heterocromatina, c. mitocondria

Fig. 10.9 - H1 y formación de la fibra de 10 nm





Cuando el cromosoma en interfase se esparce artificialmente sobre agua, tiene la apariencia de un collar de perlas. Las perlas son losnucleosomas, las unidades de enrollamiento de la cromatina. (Fig. 10.10b)

Los nucleosomas están formados por un centro o "core" de histonas. Dicho centro posee dos copias de cada una de las siguienteshistonas: H2A; H2B; H3 y H4

Alrededor del centro de histonas, 146 pares de bases del ADN se enrollan en dos vueltas. La unión de las histonas al ADN nodepende de una secuencia particular de nucleótidos, sino de la secuencia de aminoácidos de la histona. Las histonas son unas de lasmoléculas más conservadas durante el transcurso de la evolución. La histona H4 en el ternero difiere de la H4 de la planta de porotoen sólo 2 residuos de aminoácidos de una cadena de 102. Alrededor de 60 pares de bases de ADN unen un nucleosoma con elpróximo. Cada región de unión es el ADN espaciador. La quinta histona, la H1, conecta a los nucleosomas y actúa como una bandade goma, manteniéndolos juntos dentro de una misma cuerda enrollada. Esta estructura se conoce como fibra de 10nm, siendo eprimer grado del empaquetamiento de la cromatina. (Fig. 10.9)

Los nucleosomas se organizan, a su vez, en fibras de 30nm (solenoide), girando a manera de resorte alrededor de un eje virtualEsta estructura es mantenida por la interacción de las H1 de nucleosomas cercanos. (Fig. 10.10c)

En el siguiente nivel de empaquetamiento, las fibras de 30 nm se organizan en una serie de bucles o asas superenrolladas (Fig

10.10d; Fig. 10.11). Estos bucles se estabilizan gracias a la interacción con las proteínas de la matriz nuclear o andamiaje nuclear(―scaffold‖).

Fig. 10.10 - Modelo de empaquetamiento de la cromatina

Cada bucle de cromatina representa un dominio funcional o unidad de replicación (Fig. 10.10e). Estos dominios contienen alrededode 100.000 pares de bases, extensión de ADN suficiente para acomodar varios genes de tamaño promedio. Algunos genes, sin





embargo, pueden abarcar varios dominios adyacentes de un cromosoma. Cada cromosoma puede tener cien o más dominios.Durantela profase, los cromosomas aparecen en forma más condensada, alcanzando la cromatina su mayor nivel de condensación enmetafase(Fig. 10.10f). La organización de los cromosomas envuelve la fosforilación de la H1 y otras proteínas, lo cual causa eplegamiento y empaquetamiento aún más compacto de la cromatina. El andamiaje o matriz nuclear se convierte en el centro de laestructura del cromosoma, y como la compactación continúa, éste se pliega modo de acordeón.

Fig. 10.11- Empaquetamiento de la fibra de 30 nm

El grado de condensación de los dominios de cromatina se mantiene principalmente debido a la asociación con la matriz nuclear y aproteínas asociadas como la topoisomerasa II o girasa, encargada de controlar el grado de superenrollamiento del ADN (Fig. 10.11)La unión entre la cromatina y la matriz se da a nivel de zonas altamente conservadas, denominadas secuencias SAR o MAR (scaffoldassociated regions/ matrix attachment regions). Las SAR son regiones de varios cientos de pares de bases ricas en residuos deadenina y timina, abundantes en la heterocromatina.

Con coloraciones especiales los cromosomas, revelan diferencias estructurales de importancia funcional. Las bandas oscurasconsisten en cromatina altamente condensada, mientras que las bandas claras se corresponden con cromatina más laxa.

El examen de la cromatina en bandas claras y oscuras revela que ambos tipos de cromatina están acomodados en bucles de distintostamaños y que a su vez se proyectan desde el andamiaje plegado. El andamiaje está muy plegado en la heterocromatina, y es máslineal en las bandas de eucromatina, formando bucles más amplios. Las histonas de la eucromatina están fuertemente acetiladas.Estos cambios afectarían el grado de empaquetamiento de la eucromatina, haciéndola más accesible para la transcripción de susgenes.

Las características de la hetero y eucromatina son:

Tabla 10.1 - Características de la Cromatina Tipo de cromatina Estado físico Cambio químico Tipo de genes Replicación Eucromatina Laxa Acetilada Activos Fase S temprana Heterocromatina condensada Metilada Silentes Fase S tardía

Los cromosoma en metafase también poseen un revestimiento de RNP. Dicho revestimiento deriva de los componentes del nucléolo.Estos cromosomas se constituyen en el vehículo para dividir el material nucleolar entre las futuras células hijas. El empaquetamientode la cromatina permite confinar al ADN dentro del núcleo La molécula de ADN de un cromosoma humano contiene 50 x 10 6 pares de





nucleótidos en el cromosoma más pequeño (1.7 cm con la molécula extendida) a 250 x 106 pares de nucleótidos en el más largo ( 8.5cm). Midiendo extremo con extremo el total de cromosomas de una célula humana diploide, el ADN se extiende más de 2 metros. Elempaquetamiento del ADN en forma de cromatina, no solamente le permite entrar dentro de los límites del núcleo, sino también loprotege del ataque de las nucleasas.

EL CROMOSOMA EUCARIOTA (Fig. 10.12)

Cada cromosoma eucariota consiste en una molécula simple de ADN de alrededor de 150 millones de pares de nucleótidos.

La molécula de ADN en el cromosoma eucariota es lineal, por lo tanto posee dos extremos (en contraste con el cromosoma bacterianoque es circular).

La molécula de ADN de un cromosoma típico eucariota contiene:

Un conjunto lineal de genes que codifican para ARN y proteínas interrumpido por Muchas secuencias de ADN no codificante.

El ADN no codificante incluye:

Secuencias de aproximadamente 170 nucleótidos de ADN satélite, repetidas miles de veces, que corresponden acentrómero.Secuencias repetitivas en los extremos del cromosoma llamadas telómeros. Múltiples secuencias señalizadoras altamente conservadas, denominadas origen de replicación (ORI) , necesarias para quese realice la duplicación del ADN en un tiempo breve.

Fig. 10.12- Secuencias de un cromosoma eucariota estable en las diferentes etapas del ciclo celular

El centrómero es una constricción primaria localizada centralmente o hacia los extremos de cada cromosoma.





La cadena rica en guanosina corre en dirección 5' a 3', extendiéndose 12 a 15 nucleótidos más allá de la cadena rica en citosinaformando un apéndice en una de las cadena en cada extremo del cromosoma. Este desnivel se mantiene de generación engeneración por medio de una enzima especial, la telomerasa, que agrega nuevas unidades al extremo 3' de la cadena rica enguanosina (Fig. 11.13).

La telomerasa es una ribonucleoproteína, la cual provee un molde de AAUCCC que guía la inserción de la secuencia TTAGGGEntonces la telomerasa es una retrotranscriptasa, sintetiza ADN a partir de un molde de ARN.

Las células con telomerasa activa pueden compensar el acortamiento de los telómeros durante la duplicación del ADN.

La telomerasa activa se encuentra solamente en:

Las células de la línea germinal, incluyendo células troncales embrionariasEucariotas unicelularesCélulas cancerosas

Los cromosomas se diferencian por la ubicación del centrómero

Durante la mayor parte de la vida de la célula, los cromosomas son demasiado largos y tenues para ser vistos bajo un microscopio.

Antes de que una célula se divida, cada cromosoma se duplica(durante la fase S del ciclo celular).

Al inicio de la división celular, los cromosomas duplicados secondensan en estructuras que pueden teñirse con facilidad (por ellodenominadas cromosomas), pudiéndose observar bajo el MO.

La condensación es tal que el cromosoma es aproximadamente10.000 veces más corto que la molécula de ADN que contiene (Fig

10.14). A primera vista, los cromosomas duplicados se mantienen juntos por el centrómero. Mientras están juntos, es común llamar acada parte del cromosoma duplicado, cromátida hermana.

Esto no debe confundirnos, cada una de las "cromátidashermanas" es un cromosoma completo. El cinetocoro es una estructura proteica discoidal que forma parte del centrómero y ayudaa separar las cromátidas hermanas. Es el sitio de unión con los microtúbulos del huso, que contienen los motores de dineína que tirana los cromosomas en la anafase. Además proveen una plataforma para ensamblar y movilizar las proteínas que construyen el huso.

La posición del centrómero, determina el largo de los brazos del cromosoma; en base a esto se puede clasificar a los cromosomas en(Fig. 10.15)

Metacéntricos: el centrómero en posición central determina brazos de igual longitudSubmetacéntricos: un par de brazos es más corto que el otro, pues el centrómero se encuentra alejado del centro.Acrocéntricos: el centrómero se halla próximo a uno de los extremos, por lo tanto uno de los brazos es casi inexistente.

Fig. 10.14- Microfotografía electrónica de un cromosomametafásico





Fig. 10.15- Tipos de cromosomas

Los cromosomas acrocéntricos poseen una masa de cromatina llamada satélite, en el extremo del brazo corto. El satélite se hallaaislado del resto del cromosoma por la constricción secundaria. La zona aledaña al satélite de los cromosomas acrocéntricoscontribuye a formar el nucléolo (Fig. 10.16)

El más corto de los dos brazos del cromosoma se llama p; el más largo es el brazo q.

Fig. 10.16- Partes de un cromosoma mitótico.

Todas las especies tienen un número característico de pares de cromosomas homólogos llamado número diploide (2n). El númerodiploide del hombre es 46.

El cariotipo es una representación gráfica o fotográfica de los cromosomas presentes en el núcleo de una sola célula somática de unindividuo. Cada miembro del par de cromosomas homólogos proviene de cada uno de los padres del individuo cuyas célulasexaminamos.

El cariotipo de la mujer contiene 23 pares de cromosomas homólogos, 22 pares son autosomas y el par restante, cromosomassexuales, ambos " X".





El cariotipo del hombre contiene los mismos 22 pares de autosomas y 1 par de cromosomas sexuales, un cromosoma sexual "X" y uncromosoma sexual "Y" (un gen en el cromosoma Y designado SRY es el que pone en marcha el desarrollo de un varón, por lo tantodetermina el sexo).

El análisis del cariotipo involucra la comparación de cromosomas por su longitud, la ubicación de los centrómeros y la ubicación y lostamaños de las bandas G.

Durante la mitosis, los 23 pares de cromosomas humanos se condensan y son visibles con un microscopio óptico.

Preparación de un Cariotipo: La preparación de un cariotipo normalmente involucra bloquear las células (glóbulos blancos) durantela mitosis con colchicina y marcar los cromosomas condensados con tinción Giemsa. La tinción marca las regiones de loscromosomas que son ricos en pares de nucleótidos entre A -T produciendo una banda oscura, la banda G. Luego de la tinción, loscromosomas se fotografían, se recortan y se ordenan de acuerdo a su longitud. Los de igual tamaño se aparean según la ubicación desu centrómero.

Una error común es suponer que cada banda representa un sólo gen. En realidad las bandas más pequeñas contienen más de unmillón de pares de nucleótidos y potencialmente cientos de genes. Por ejemplo, el tamaño de una banda pequeña es igual a toda lainformación genética de una bacteria.

El análisis del cariotipo es una de muchas técnicas que nos permiten investigar las miles de enfermedades genéticas que se puedenencontrar en los seres humanos.

Fig. 10.17 - Cariotipo femenino normal: Los autosomas se ordenan en grupos por tamaño y posición del centrómero.





Fig. 10.18 - Mapa estándar (Idiograma) de patrones de bandeo del cromosoma 2. Los números corresponden a las regiones y bandasA la derecha, idiograma del cariotipo humano masculino.

El nucléolo

En el nucléolo tiene lugar la formación de subunidades ribosómicas, la síntesis y procesamiento de ARNr y actualmente se consideraque desempeña un importante papel en la regulación del ciclo celular.

El nucléolo es un aglomerado de fibras decromatina de distintos cromosomas. En elhombre, los pares 13,14, 15, 21 y 22, aportansectores de cromatina que forman el nucléolo.Todos estos cromosomas son acrocéntricos ypresentan constricciones secundariasdenominadas organizadores nucleolares(NOR), donde están los genes que codificanARNr (Fig. 10.19).

Fig. 10.19 - Esquema de nucléolo indicando losbucles de los 10 cromosomas con los genespara el ARNr





Fig. 10.20 - Microfotografía electrónica del nucléolo. NE, Envoltura nuclear; NO. Organizador nucleolar; PG, Zona granular; PF, Zonafibrilar.

El nucléolo aparece como una estructura simple carente de componente membranoso, en la que diferenciamos dos regiones:Una zona fibrilar central, formada por ADNribosómico y ARNr naciente

proceso de ensamblado (Fig10.20).

Los nucléolos, al igual que la envoltura nuclear desaparecen en la mitosis y se reorganizan alrededor de los segmentos de ADNr, quecomo su nombre lo indica, codifica ARNr. Siendo el ARNr el más abundante dentro de los tipos de ARN, existen múltiples copias delgen que lo codifica. El genoma humano presenta alrededor de 200 copias del gen para ARNr. Estos genes que promedian los 10.000

nucleótidos se localizan en tándem. Cada gen está separado por ADN espaciador y presenta asociado una molécula de ARNpolimerasa I. De cada enzima parten perpendicularmente los ARNr nacientes, tomando la apariencia característica de un árbol denavidad. Cada gen produce un transcripto llamado ARNr 45S que será luego procesado (Fig. 10.21)

El tamaño del nucleólo varía entre células y en la misma célula según su actividad, pues si bien la velocidad de transcripción puedeacelerarse, el ensamblado de las subunidades ribosomales requiere de un tiempo más o menos constante; es por ello que en losnucléolos grandes observamos mayor proporción de componente granular.





Fig. 10.21 - Microfotografía electrónica de los genes nucleolares (ADNr) durante la transcripción. Observe como la longitud de lostranscriptos primarios aumenta a medida que nos alejamos del punto de inicio.

Unidad 3. PROCESOS VITALES

Los organismos animales están organizados en aparatos osistemas de órganos, encargados de realizar las grandesfunciones que un ser vivo requiere para mantenerse yreproducirse.

Las funciones de relación y control son las que le permitenal organismo interactuar con el medio, captar estímulos





responder a ellos y ajustar las respuestas a las condiciones externas e internas. Al mismo tiempo, debe existir una coordinación de lasfunciones de los distintos sistemas, para mantener un equilibrio interno u homeostasis. Los sistemas de relación y control son:

El sistema tegumentario: es el límite del cuerpo y el que lo conecta directamente con el medio.

El sistema inmunitario: lleva a cabo las respuestas defensivas del organismo frente a los microorganismos patógenos. El sistema locomotor: encargado de los movimientos. El sistema nervioso: coordina los estímulos con las respuestas, tanto en la relación con el medio externo como entre los

distintos sistemas corporales. El sistema endócrino: regula funciones metabólicas, de crecimiento y reproductivas.

Las f unciones de nutrición abarcan el conjuntode medios por los cuales el organismo seaprovisiona de materia y energía para laasimilación y la realización de trabajoscelulares. Las funciones de nutricióninvolucran a los siguientes sistemas:

Sistema digestivo: incorpora losnutrientes.

Sistema circulatorio: transporta los

nutrientes y los desechos metabólicos. Sistema respiratorio: intercambia

gases con el medio. Incorpora oxígenonecesario para la oxidación de los nutrientes yelimina dióxido de carbono, desecho producidodurante la oxidación.

Sistema excretor: elimina ciertos

desechos del metabolismo.

Por último, el sistema reproductor está especializado en la formación de gametas y las demás funciones que posibilitan laperpetuación de la especie.

3.1. REPRODUCCIÓN





LA DIVISIÓN CELULAR:

MITOSIS.

La división celular constituye el paso previo necesario para la reproducción de organismos unicelulares y pluricelulares. La divisióncelular representa tan sólo una pequeña fracción del ciclo celular, ya

que durante la mayor parte de éste, la célula se encuentra en períodode interfase, fase durante la cual tiene lugar la duplicación del materialhereditario y del resto de elementos celulares

El proceso de división implica a su vez dos procesos que estánsecuenciados: la mitosis o reparto equitativo del material hereditarioentre la s células hijas, y la citocinesis o reparto más o menosequitativo del citoplasma celular.

El ciclo de una célula es análogo al de un ser vivo,"nace" mediante ladivisión de una célula progenitora, crece, y se reproduce. Todo esteproceso es lo que constituye un ciclo celular completo.

El ciclo celular comprende cuatro períodos denominados G1, S, G2 yMitosis.

El período G1, llamado primera fase de crecimiento, se inicia con unacélula hija que proviene de la división de la célula madre. La célulaaumenta de tamaño, se sintetiza nuevo material citoplásmico, sobretodo proteínas y ARN.

El período S o de síntesis, en el que tiene lugar la duplicación del ADN. Cuando acaba este período, el núcleocontiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que al principio.





El período G2, o segunda fase de crecimiento, en el cual se sigue sintetizando ARN y proteínas; el final de este período quedamarcado por la aparición de cambios en la estructura celular ,que se hacen visibles con el microscopio y que nos indican el principiode la Mitosis o división celular. El período de tiempo que transcurre entre dos mitosis, y que comprende los períodos G1, S, y G2, se ledenomina Interfase.

MITOSIS.

La mitosis es el proceso de división celular por el cual se conserva la información genética contenida en sus cromosomas, que pasade esta manera a las sucesivas células a que la mitosis va a dar origen.La mitosis es igualmente un verdadero proceso de multiplicación celular que participa en el desarrollo, el crecimiento y la regeneracióndel organismo.El proceso tiene lugar por medio de una serie de operaciones sucesivas que se desarrollan de una manera continua, y que parafacilitar su estudio han sido separadas en varias etapas.

PROFASE: En ella se hacen patentes un cierto número defilamentos dobles: los cromosomas. Cada cromosoma

constituido por dos cromátidas, que se mantienen unidas por unestrangulamiento que es el centrómero.Cada cromátida corresponde a una larga cadena de ADN. Alfinal de la profase ha desaparecido la membrana nuclear y elnucléolo.

Condensación de los cromosomas.• Desaparición del nucleolo. • Formación del huso mitótico.

Existe una fase intermedia entre estas dos denominada:Prometafase:• Desintegración de la membrana nuclear. • Penetración del huso en el área nuclear. • Formación de los cinetocoros. En las dos caras de los centrómeros se desarrollan unas estructuras llamadascinetocoros, que quedan unidas a un conjunto de microtúbulosllamados fibras cinetocóricas. Estas fibras se irradian endirección opuesta desde cada lado del cromosoma,interaccionan con las fibras del huso mitótico, ocasionándosemovimientos agitados en los cromosomas.





CITOCINESISLa división del citoplasma se inicia ya al final de la anafase y continúaa lo largo de la telofase. Se produce de manera distinta en las célulasanimales yen las vegetales.

En las células animales tiene lugar por simple estrangulación dela célula a nivel del ecuador del huso. En las células vegetalesaparece un sistema: el fragmoplasto. En su plano ecuatorial sedepositan pequeñas vesículas que provienen de los dictiosomas

del aparato de Golgi. Posteriormente se depositan el resto de lascapas que forman la pared celular. Es más, cada célula hijadepositará a su alrededor una nueva pared celular. Las paredescelulares de las células vegetales se estiran y se rompenpermitiendo a las células hijas crecer.

LA REPRODUCCIÓN ASEXUAL Y SEXUAL. CICLOS DE VIDA.

La reproducción tiene por objetivo la procreación de nuevos individuos a partir de los existentes. Es un fenómeno por el cual los seresvivos producen a expensas de su propio cuerpo una célula o un grupo de células que mediante un proceso de desarrollo setransformarán en un nuevo organismo semejante al de origen.

En los seres vivos se dan formas muy diversas de reproducción. No obstante, se pueden agrupar en dosmodalidades diferentes:

Reproducción asexualReproducción sexual

La reproducción asexual. No existen ni fecundación ni gametos. Se lleva a cabo a partir de células somáticas ya que del organismo

progenitor se separan determinadas partes de su cuerpo, puede ser también una sola célula, que están destinadas a formar un nuevoindividuo completo.

La reproducción asexual se presenta preferentemente en los organismos vegetales y en los unicelulares, mientras que en losanimales se da, sobre todo, en los menos evolucionados.

La reproducción sexual. Se caracteriza por la producción de células especializadas haploides: las células sexuales o gametosNormalmente estas células no pueden desarrollarse por sí mismas y dar un nuevo individuo, necesitan unirse para formar una célulamixta de núcleo diploide, el zigoto o célula huevo. El proceso de fusión de ambos gametos para formar el zigoto recibe el nombre defecundación.





La reproducción sexual es la forma más extendida e importante de reproducción. Prácticamente todos los seres vivos, incluso losorganismos unicelulares, tienen reproducción sexual. La reproducción sexual está íntimamente relacionada con la evolución de losorganismos.

REPRODUCCIÓN ASEXUAL: MECANISMOS.

Reproducción asexual en organismos unicelulares: Escisión.

División binaria o bipartición: Consiste en la división de un organismo en dos, mediante el proceso de división celular. Además deproducirse el reparto equitativo del material genético, se distribuyen los orgánulos citoplasmáticos especializados.

División múltiple: Se forman varias células sucesivas del propoplasto originas. El resultado es un conjunto de células hijas que sonliberadas al romperse la pared externa de la madre.

División desigual o gemación: En el cuerpo del progenitor se produce una especie de evaginación que crece y dentro de la cual sesitúa un núcleo resultante de la división del núcleo original. Por constricción en su zona de unión se libera una célula completa, perocon escaso material citoplasmático.





Reproducción asexual en organismo pluricelulares.

La reproducción asexual de este tipo de organismos requiere que sus células sean capaces de multiplicarse rápidamente ydiferenciarse en los distintos tipos de célulasnecesarios para la formación de las distintas partesde los nuevos individuos. Sus modalidadesprincipales son:

Gemación: Se forman yemas sobre el individuoprogenitor que crecen y se desarrollan originandoun nuevo individuo que puede quedar adherido osepararse del cuerpo del progenitor. En losvegetales las yemas constan de un ápice o yemaTerminal con un tejido de crecimiento, rodeado pouna serie de hojas en cuaya base se originan otrasyemas. Estas yemas pueden originar una plantanueva si se dan las condiciones favorables paraello.

Fragmentación: El individuo se divide en dos o más fragmentos que por regeneración dan lugar a uno nuevo.

Esporulación: Las esporas son células destinadas a la reproducción pero producidas asexualmente o sexualmente mediante meiosisCuando una espora encuentra las condiciones favorables para su desarrollo, rompe la capa protectora, libera la célula que contiene yempieza a multiplicarse para formar un nuevo individuo.

REPRODUCCIÓN SEXUAL.

Se caracteriza por la producción de células especializadas haploides: las células sexuales o gametos. Normalmente estas células nopueden desarrollarse por sí mismas y dar un nuevo individuo, necesitan unirse para formar una célula mixta de núcleo diploide, e

zigoto o célula huevo. El proceso de fusión de ambos gametos para formar el zigoto recibe el nombre de fecundación.

La reproducción sexual es la forma más extendida e importante de reproducción. Prácticamente todos los seres vivos, incluso losorganismos unicelulares, tienen reproducción sexual. La reproducción sexual está íntimamente relacionada con la evolución de losorganismos.





TIPOS DE REPRODUCCIÓN SEXUAL.

La reproducción sexual puede llevarse a cabo sin la intervención de los gametos, como en el caso de la conjugación y la singamia, obien con gametos de forma semejante, isogamia, o de gametos muy diferentes, anisogamia.

CONJUGACIÓN: Consiste en el intercambio recíprocode materiales hereditarios entre dos células u organismos que se fusionan

parcialmente como conjugantes. se da en protozoos ciliados como elParamecio que poseen dos núcleos: el micronúcleo y el macronúcleo.En primer lugar se aproximan los individuos y se unen por suscitosomas, produciendo una comunicación entre sus citoplasmas,Desaparecen los macronúcleos y los micronúcleos se dividen mediantemeiosis en cuatro núcleos de los cuales tres se reabsorben. El cuartose divide por mitosis formando dos núcleos. Uno de estos núcleosemigra hacia el otro conjugante y se fusiona con el que quedóestacionario formando un nuevo núcleo o sincarión. A continuación seseparan y el núcleo formado se separa mediante mitosis en dos: unmicronúcleo y otro que empieza a crecer y forma un macronúcleo.

SINGAMIA: Es característicos de los flagelados. No requiere laproducción de gametos especiales. Dos organismos unicelulareshaploides, de aspecto idéntico pero de tipo de apareamientocomplementario se fusionan como si fueran gametos formando un zigotodiploide. Este zigoto experimenta una meiosis que da lugar a cuatrodescendientes haploides que escapan cuando se rompe la pared del zigoto.

ISOGAMIA: Las especies isogámicas suelen ser algas pluricelularessimples. Las células del talo se convierten en gamentagios que mediantedivisión múltiple producen gametos flagelados idénticos llamados:isogametos. Estos isogametos son liberados al extrior y se fusionan con otroprocedentes de otro individuo formando un zigoto haploide que sufredivisión meiótica y persiste sólo uno de los cuatro núcleos haploidesgenerados para dar origen a un nuevo individuo.

HETEROGAMIA O ANISOGAMIA: Los gametos se especializan en dostipos, uno pequeño y móvil o microgameto, y otro menos móvil, voluminoso y repleto de nutrientes.

PARTENOGÉNESIS: Es un tipo de reproducción sexual en el que se desarrolla un individuo a partir de un óvulo no fecundadoAtendiendo a la dotación cromosómica del óvulo, es decir si es haploide o diploide, se pueden distinguir dos tipos:

Haploide: El óvulo posee una dotación haploide debido a la meiosis experimentada durante su formación. El individuoformado es haploide. Cuando se desarrollan los óvulos haploides dan lugar a individuos de sexo masculino. Sin embrago, estosóvulos pueden ser fecundados dando individuos del sexo femenino (partenogénesis facultativa) (Ej: Abejas: óvulos no fecundados =zánganos, óvulos fecundados = obreras y reina).

Diploide: Es la más común y se debe a que al formarse los óvulos no se realiza la meiosis, con lo cual tiene una dotacióncromosómica diploide. Al desarrollarse dan lugar a hembras. Este tipo de partenogénesis es obligada pues de ser fecundados daríanlugar a individuos triploides, lo cual es inviable.





TIPOS DE REPRODUCCIÓNVENTAJAS

REPRODUCCIÓN ASEXUAL REPRODUCCIÓN SEXUALSe necesita un solo progenitor. Aumenta la variabilidad genética.A partir de un único progenitor se originan muchos seresidénticos.

Ayuda al establecimiento en la población de mutacionesfavorables.

INCONVENIENTESReducida variabilidad genética, sólo puede variar por mutación. Mantiene la diploidía en especies diploides.Se necesitan dos progenitores, generalmente.

Fabricación de células especializadas.Dificultad de encuentro de los gametos.Mayor complejidad.

CICLOS DE VIDA:

El ciclo de vida de un organismo son las etapas que atraviesa dicho organismo, desde el momento en que se formó su zigoto, hasta

que alcanza su edad adulta y es capaz dereproducirse sexual o asexualmente.La mayor parte de los ciclos de vida tienen dosgeneraciones: una haploide y otra diploide.Dependiendo del lugar dónde ocurra lameiosis y el grado de desarrollo eindependencia de cada una de estasgeneraciones, se pueden distinguir trestipos de ciclos de vida:

a.- Ciclo haplonte:

Presente en algas unicelulares. Estosorganismos presentan dotacióncromosómica haploide. La meiosis seproduce inmediatamente después de lafecundación.

b.- Ciclo diplonte:

Presente en algas pluricelulares. Propia deorganismos diploides. La meiosis se produce aformarse los gametos. El cigoto es diploide y eadulto también.





c.- Ciclo diplohaplonte: Presente en vegetales, musgos, helechos y plantas con semillas. Presentan ciclo con alternancia de fases ogeneraciones. Existen individuos haploides y otros diploides. La meiosis se produce al formarse las esporas. La fase diploide es laesporofítica, un tipo de individuo produce por meiosis esporas. Estas esporas dan lugar a un adulto haploide llamado gametofito, en eque se forman los gametos haploides. Tras la fecundación se produce un cigoto diploide que origina una nueva fase esporofítica.





MEIOSIS.

En la mayoría de las plantas y animales cuando ciertas células se dividen el resultado no es un par de nuevas células somáticas conla dotación cromosómica completa (diploides o 2n) sino que originan células con la mitad del número cromosómico (haploides o n)Estas células reproductivas son los gametos, y la división que los origina es la MEIOSIS.

Cuando un gameto femenino se une al masculino el resultado es un nuevo organismo o ZIGOTO con la dotación cromosómicanuevamente diploide. Este tipo de reproducción que involucra unión de diferentes gametos es la REPRODUCCIÓN SEXUAL.

La reproducción sexual ocurre solo en eucariotas. Durante la formación de los gametos, el número de cromosomas se reduce a lamitad y retornan al número completo cuando los dos gametos se unen durante la fecundación. Recordemos que (a excepción de losgametos) cada célula del cuerpo o SOMÁTICA de un individuo posee un número idéntico de cromosomas (46 en el ser humano) loscuales se presentan de a pares.

Un miembro del par proviene de cada padre. Cada miembro del par se denomina HOMÓLOGO, así el ser humano tiene 23 pares dehomólogos.

Los procesos esenciales de la meiosis consisten en:

Reducción del número de cromosomasSegregación al azar de los cromosomasRecombinación genética por intercambio de segmentos cromosómicos.

Ploidía

Ploidía es un término referido al número de grupos o ''juegos'' de cromosomas en una célula.Haploide y diploide son términos referidos al número de "juegos" de cromosomas en una célula.Los organismos diploides, como lo indica su prefijo, son aquellos que tienen dos "juegos" de alelos, uno por cada progenitor.Los seres humanos (excepto sus gametos), la mayor parte de los animales y muchas plantas son diploides. Diploide seabrevia como 2n.

Los organismos y las células haploides tienen un solo grupo de cromosomas, que se abrevia como n.Los organismos con mas de dos grupos de cromosomas se denominan poliploides.Los cromosomas que llevan el mismo tipo de genes se denominan cromosomas homólogos.Los alelos en los cromosomas homólogos pueden ser diferentes, en ese caso se dice que el individuo es heterocigota. Engeneral los organismos reciben un grupo de cromosomas de cada progenitor.La meiosis es un tipo especial de división nuclear que segrega una copia de cada cromosoma homologo en un nuevo"gameto".En la mitosis se mantiene la ploidía original de la célula: una célula diploide (2n) origina dos células diploides una célulahaploide (n) origina dos células haploidesPor otra parte la Meiosis, reduce a la mitad los "juegos" (sets) de cromosomas, por lo tanto al producirse la unión de losgametos (fecundación) se restablece la ploidía original.La mayor parte de las células del cuerpo humano se dividen por mitosis. Estas células se denominan células de la líneasomática (o células vegetativas).A las células que se convierten en gametos se las considera células pertenecientes a la línea germinal.La gran mayoría de las divisiones celulares en el cuerpo humano se realizan por mitosis, estando la meiosis restringida a lasgónadas.





homólogos. Lo más importante es el fenómeno deentrecruzamiento o crossingover.

Durante el entrecruzamiento un fragmento de unacromátida puede separarse e intercambiarse por otrofragmento de su correspondiente homologo. El nódulo derecombinación sería el lugar donde se produce elentrecruzamiento, ya que es un complejo multienzimáticoencargado de reunir las comátidas paternas y maternas yproducir en ellas los cortes y empalmes necesarios. Siejemplificamos con letras los alelos de los genes de unaporción de los cromosomas podemos entender elentrecruzamiento:

Por lo tanto en vez de producirse solo dos tipos de cromosomas (todos mayúsculas o todos minúsculas), se producen cuatro, lo cuaduplica la variabilidad del genotipo de los gametos. La presencia del fenómeno de entrecruzamiento se visualiza en una estructuraespecial llamada quiasma.

DIPLONEMA: (del griego diploos: doble) los cromosomas homólogos se separan, si bien todavía permanecen unidos a nivel de losquiasmas (del griego khiasma: cruz). El complejo sinaptonémico se desintegra. En la mujer este periodo es tan largo que va desde e

7º mes de vida intrauterina hasta la pubertad, como mínimo.

DIACINESIS: la condensación de los cromosomas se acentúa aúnmás, el nucléolo se disuelve, desaparece la membrana nuclear, y seforma el huso mitótico.

A.2.-

METAFASE I

En la Metafase I las tétradas se alinean en el ecuador de la célula. Lasfibras del huso se "pegan" al centrómero de cada par homólogo y loseventos subsiguientes son similares a la mitosis.

A.3.-ANAFASE I. Durante la Anafase I las tétradas se separan y los cromosomas son arrastrados a los polos opuestos por las fibrasdel huso. Los centrómeros en la Anafase I permanecen intactos.





Megasporogénesis o formación de gametos femeninos: Se lleva a cabo en el ovario de la flor, a partir de los megasporocitos o célulasmadres. Los megastoporocitos son diploides y experimentan meiosis, dando lugar a la formación de cuatro productos meióticoshaploides. Tres se degeneran, el que queda: la megaspora divide su núcleo tres veces consecutivas por mitosis dando ocho célulashaploides que constituyen el saco embrionario. Tres se degeneran, en el centro se colocan dos núcleos que se fusionan dando lugar aun núcleo diploide. De los tres restantes, dos son las sinérgicas y el último la oosfera verdadero gameto femenino.

FECUNDACIÓN.La fecundación comienza cuando el grano de polen llega al pistilo de la flor; este proceso se conoce como:

Polinización, y es la transferencia del polen de la antera al estigma femenino. Se produce por diferentes medios o agentespolinizadores:Entomófila: mediante insectosAnemófila: por el viento.Hidrófila: mediante el agua.

Otros polinizadores incluyen a las aves (ornitófila), murciélagos y humanos (antropógama) Cuando el proceso de polinización se hacompletado, el grano de polen llega al estigma y germina formando el tubo polínico que crece a través del estigma y el estilodirigiéndose a los óvulos en el ovario.

La célula generativa del grano de polen se divide en este momento y libera dos gametos masculinos que se mueven hacia abajo por etubo polínico.

Una vez que la punta del tubo llega al micrópilo del saco embrionario, el tubo crece hacia el interior del saco embrionario a través deuna de las sinérgidas que flanquean laovocélula, descargando allí su contenido:Un gameto masculino (n) se fusiona con laovocélula (n) produciendo el cigoto (2n,diploide) que desarrollará la próximageneración esporofítica, formando un

embrión. El segundo gameto masculino (n)se fusiona con los dos núcleos polares (n)localizados en la célula del centro del saco,produciendo en tejido nutritivo triploide (3n),el endosperma, de reserva para elcrecimiento y desarrollo del embrión.





DESARROLLO VEGETAL: El desarrollo de una planta con semilla implica dos fases separadas por un período de latencia más omenos largo:

1. El desarrollo que va desde la fecundación de la oosfera u óvulo hasta la maduración de la semilla.2. El desarrollo que trascurre desde la germinación de la semilla hasta la madurez de la planta.





3.2. Transporte

DEFINICIÓN DE TRANSPORTE

Consideraremos transporte al movimiento de moléculas a través de una membrana que separa dos compartimentos diferentes. En

este tema se estudiarán exclusivamente el transporte a través de membranas de moléculas pequeñas o de iones inorgánicos. Po

consiguiente, no se estudiará el transporte a través de membranas de macromoléculas tales como proteínas o polisacáridos, o de

lípidos complejos, aunque en algunos de estos casos se emplean sistemas de transporte análogos a algunos empleados por solutos

de bajo peso molecular. Tampoco se estudiarán los procesos de traslocación de grupo, que suponen la modificación covalente de una

molécula acoplada a su transporte a través de una membrana. Por último, tampoco se estudiarán los procesos que supongan

alteración en la continuidad física de la membrana, como es el caso de la endocitosis o de la exocitosis.

El objetivo del tema es presentar los principios básicos del transporte de solutos de bajo peso molecular a través de membranas y

dar una visión general de los diferentes tipos de mecanismos que permiten este fenómeno.

Teoría Básica

VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE EN EL TRANSPORTE

La magnitud termodinámica de interés en los procesos de transporte de un soluto a través de una membrana es el denominado

Potencial Electroquímico del soluto. Se define como la variación de energía libre que ocurre cuando se transporta un mol del soluto a

través de una membrana manteniendo constantes tanto

las concentraciones del soluto en los compartimentos de

llegada y de salida como el potencial de membrana. Es

pues una magnitud que tiene sentido asumiendo

condiciones de estado estacionario durante el proceso de

transporte.

El potencial electroquímico viene dado por la expresión:

1

Siendo:R la constante de los gases (8,314 J/º.mol);T, la temperatura absoluta

F , la constante de Faraday (96.480 J/mol.V).C1 y C2 son las concentraciones de soluto libre en loscompartimentos de salida y llegada, respectivamente.Z es la carga del soluto, con el signo adecuado.

: diferencia de potencial en voltios entre amboscompartimentos (Potencial del de llegada menos potencial desalida)





Si G es negativo, el transporte es exergónico, y no requiere aporte de energía externa para llevarse a cabo; si G es positivo, e

transporte es endergónico, y requiere un aporte externo de energía. Es decir, se requiere un proceso exergónico que suministre la

energía necesaria y un mecanismo de acoplamiento que transfiera la energía desde el proceso exergónico al transporte endergónico.

Es importante tener en cuenta lo siguiente:

1. C1 y C2 son concentraciones de soluto libre (más correctamente habría que hablar de actividades del soluto). Y no tienen que

coincidir necesariamente con las concentraciones de soluto totales, ya que puede ocurrir que el soluto esté unido a otras

moléculas en uno o en ambos compartimentos; en ese caso la concentración del soluto TOTAL puede ser mucho mayor que

la del soluto libre. Por ejemplo, el oxígeno en el eritrocito no se encuentra libre, sino unido en su mayor parte a la

hemoglobina; la concentración de oxígeno libre es muy pequeña, pero la cantidad de oxígeno total es elevada.

2. Obviamente, en el caso de que el soluto no esté cargado, el segundo término de la ecuación se anula.

3. Es importante tener en cuenta que los dos términos de la expresión son independientes, y es perfectamente posible que e

primer término, correspondiente a las concentraciones, sea positivo, y el segundo negativo, o viceversa. Lo importante, lo

que va a definir si el transporte es exergónico o endergónico, es la suma de ambos.

4. El potencial electroquímico, tal como se ha definido, presupone que tanto las concentraciones como el potencial de membrana

son constantes durante el proceso de transporte. Es un estado estacionario. Esta condición es, evidentemente, una

simplificación. De hecho, cuando se trata de solutos cargados, el potencial de membrana cambia rápidamente con e

movimiento de los iones de uno a otro lado de la membrana, de tal forma que en muy poco tiempo las condiciones pueden

ser radicalmente diferentes de las que existían al principio del proceso.

Según la expresión #1, el potencial electroquímico se expresa en Julios.mol-1. Si se dividen ambos términos de la expresión por la

constante de Faraday, se puede expresar el potencial electroquímico en voltios:

2

En el caso de que el soluto transportado sea el H+ , la ecuación anterior se puede expresar de la siguiente forma:

3

pH es el pH del compartimento de llegada menos el pH del compartimento de salida (note el signo menos en el término de

H+ es el potencial electroquímico del protón o fuerza protonmotriz (pmf, protonmotive force), por analogía a la fuerza

electromotriz. Con este nombre, Peter Mitchell (Premio Nobel en 1978) quiso resaltar la capacidad de producir trabajo de estos

gradientes de iones hidronio, hidrogeniones (o menos correctamente, protones).

http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/transporte/Teoriabasica.htm#1



http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/transporte/nobel.htm








Valores de la Fuerza Protonmotriz determinados experimentalmente en diversos sistemas

Estos valores no son estrictamente comparables entre sí, ya que se han medido empleando diferentes métodos. Se considera laenergía que se libera cuando entra un hidrogenión en el compartimento estudiado. (Salida: exterior del orgánulo o célula; llegada:interior)

K= 2,3.R.T/F. A 25º C toma un valor de 59,09 mV/mol; a 37ºC su valor es de 61,47 mV/mol.Orgánulos subcelulares

Observe que en el caso de los cloroplastos la fuerza protonmotriz se debe exclusivamente a la diferencia de pH entre el estroma y elumen del tilacoide. La membrana del tilacoide no mantiene una diferencia de potencial. En las mitocondrias, sin embargo, la fuerzaprotonmotriz tiene componentes tanto de carga como de pH.

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE TRANSPORTE





El primer criterio que se aplica a la hora de clasificar los procesos de transporte es el termodinámico: ¿El transporte es exergónico o

endergónico?. En el caso de que el transporte sea exergónico, es decir, el soluto se mueva A FAVOR de su potencial electroquímico

se trata de TRANSPORTE PASIVO. Si, por el contrario, el soluto se transporta EN CONTRA de su potencial electroquímico (transporte

endergónico), se trata de TRANSPORTE ACTIVO.

El segundo criterio se refiere al mecanismo concreto que permite al soluto atravesar la bicapa lipídica. Hay que recordar que en la

inmensa mayoría de los casos los solutos son moléculas polares o iónicas, y para ellas la zona hidrofóbica de la bicapa lipídica

supone una barrera insalvable: la permeabilidad de las bicapas lipídicas para las moléculas polares del tamaño de la glucosa o

mayores, y para los iones, es prácticamente nula. Por consiguiente, tiene que haber un mecanismo que permita a estas moléculas e

iones atravesar la bicapa lipídica. Como es de esperar, son diferentes tipos de proteínas las que llevan a cabo esta tarea. Tenemos los

siguientes casos:

Transporte independiente de proteínas

0 Difusión simple o libre. El soluto es suficientemente soluble en la membrana como para atravesarla sin problemas. Es importante

exclusivamente en el caso del oxígeno, o del nitrógeno para los organismos diazotrofos. De hecho, ambos gases son más solubles en

medio hidrofóbico que en medio acuoso.

Se pensaba que el agua era una molécula suficientemente pequeña para poder atravesar la bicapa lipídica, ―infiltrándose‖ entre las

cadenas desordenadas de los ácidos grasos. Sin embargo, el descubrimiento de que prácticamente todos los organismos presentan

unas proteínas que permiten el paso del agua a través de las membranas, las denominadas acuaporinas, hace pensar que la difusión

simple del agua carece de importancia real.

Transporte dependiente de proteínas.

1. Difusión facilitada. El soluto se mueve a favor de su potencial electroquímico a través de la membrana, pero la atraviesa

gracias a la existencia de una proteína que facilita esa difusión. Hay dosposibilidades:

a) La proteína se limita a crear un conducto hidrofílico por el que el soluto se mueve

libremente. Son los Poros y Canales.





b) La proteína une al soluto, y lo mueve a través de la membrana gracias a un cambio conformacional. La proteína es un

transportador (carrier) en sentido estricto. Dado que en el caso de la difusión facilitada sólo se transporta un tipo de soluto,

recibe la denominación especial de Uniporte.

Tanto la difusión simple como la difusión facilitada son procesos de Transporte Pasivo, ya que en ambos casos el transporte es

exergónico. El Transporte Activo requiere siempre de la existencia de una proteína. Hay varias posibilidades:

2. Transporte activo secundario. (Cotransporte)

El transporte de un soluto en contra de su potencial electroquímico puede ser acoplado por un transportador adecuado al transporte

exergónico de otro soluto. El primero se transporta activamente, aprovechando la energía liberada por el transporte pasivo de

segundo a favor de su potencial electroquímico. El mecanismo es análogo al del uniporte.

3. Transporte Activo Primario. (Bombas)

El transporte se acopla a una reacción química exergónica (por ejemplo, hidrólisis de ATP) o a la luz, que suministran la energíanecesaria para transportar al soluto en contra de su potencial electroquímico. A este tipo especial de transportadores se les denomina

―Bombas‖.

4. Traslocación de grupo.

El soluto es transportado y modificado covalentemente de un modo simultáneo. Por ejemplo, el sistema de la fosfotransferasa para e

transporte de glucosa por E. coli.

Clasificación de las proteínas transportadoras

Este tema está basado en la clasificación de las moléculas de transporte propuesta en el año 2002 por el comité de nomenclatura de

la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular.

A cada transportador (usado aquí en sentido amplio, como ―molécula responsable de un proceso de transporte‖, sin

presuponer su mecanismo de actuación) se le asigna un número TC, análogo al conocido EC asignado a las enzimas. Este número

http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/transporte/Clase%202.htm









TC está compuesto por cinco dígitos, (en realidad es de la forma dígito-letra-dígito-dígito-dígito) y corresponde a su lugar en la

clasificación jerárquica de las moléculas transportadoras. Esta jerarquía comprende los siguientes niveles

Clase. Corresponde al mecanismo del proceso de transporte

Subclase. Por el tipo de estructura del transportador, o la fuente de energía utilizada

Familia. Por la estructura primaria del transportador

Tipo. Por la estructura primaria, dentro de una familia

Transportador.

Por ejemplo, la síntesis de ATP en mitocodrias, cloroplastos y eubacterias la realiza la ATPasa F, cuyo número TC es 3.A.2.1.1

que significa:

3: Transportador activo primario

A: La energía la suministra la hidrólisis de un enlace pirofosfato

2: ATPasas traslocadoras de H+ (o Na+) del tipo F, V, o A, formadas por un tallo hidrofóbico insertado en la membrana y una

1.1: ATPasas F mitocondriales, de cloroplastos o de eubacterias, sintetizadoras de ATP.

Las principales clases de transportadores son las siguientes:

1. Poros y Canales

2. Transportadores dependientes del potencial electroquímico de los solutos

3. Transporte activo primario (bombas)

4. Translocadores de grupo

Además se han definido otras 3 clases más, que no serán tratadas aquí.

Clase 1: poros y canales (porins & channels)

La característica fundamental de este grupo es que NO se requiere un cambio conformacional de las proteínas para que se efectúe e

transporte. Las proteínas crean un conducto hidrofílico que atraviesa la membrana, conducto que puede ser atravesado por solutos

polares o iónicos. Estas proteínas pueden cambiar de conformación y abrirse o cerrarse, pero una vez abiertos los solutos

transportados atraviesan el canal por un proceso de difusión, como si estuviesen libres en disolución.

El grado de selectividad de estas moléculas es muy variable: hay poros que pueden ser muy poco selectivos, permitiendo el paso

de cualquier soluto suficientemente pequeño para atravesar su interior, mientras que en otros casos permiten el paso sólo de un











soluto determinado. La diferencia entre poros y canales es, en mi opinión, mas semántica que real, y obedece a razones

fundamentalmente históricas.

En general se denominan canales a las proteínas selectivas para iones inorgánicos sometidas a un mecanismo de control en suapertura y cierre (canal de sodio, canal de cloruro), y poros a las restantes. De hecho, en la clasificación que estamos comentando no

se consideran los poros y los canales como entidades diferentes entre sí. Evidentemente, cualquier proteína que permita el libremovimiento de iones requiere un mecanismo estricto para el control de su cierre y apertura, ya que si no se disiparían rápidamentelos gradientes electroquímicos (de sodio, de hidrogeniones) y el potencial de membrana.

Bioenergética del transporte mediado por Poros y Canales

El transporte realizado por poros y canales es siempre a favor del potencial electroquímico del soluto transportado, dado que no

disponen de un mecanismo de acoplamiento entre el transporte y una fuente externa de energía que permita realizar transporte

endergónico. Por consiguiente, llevan a cabo exclusivamente procesos de Difusión facilitada. Generalmente esto significa que los

solutos se pueden mover en ambos sentidos con igual facilidad, siempre a favor de su potencial, si el canal se encuentra abierto. Sinembargo, hay un tipo conocido como canales rectificadores que son puertas de dirección única. Es decir, que solo permiten e

movimiento del soluto –siempre a favor de su potencial electroquímico- en un sentido y no en el otro, aunque se encuentren abiertos

Se les denomina rectificadores, por analogía a los diodos rectificadores en electrónica, que permite el paso de los electrones en un

sentido y no en el otro.

Se han descrito un número muy elevado de estas moléculas. Las tres subclases más importantes dentro de esta categoría, que se

diferencian por la estructura del dominio transmembrana, son las siguientes:

1.A Haz de hélices a

1.B Barril

1.C Toxinas formadoras de poros

Algunos ejemplos de poros y canales

Subclase 1.A: dominio transmembrana formado por hélices . 46 familias descritas.

En algunos casos el canal atravesado por los solutos está formado por una única proteína, como en las acuaporinas. En otros casos,

el canal se forma por la asociación de varias subunidades, como en el canal de potasio de Streptomyces

1.A.1. Canales para cationes controlados por el voltaje. Por ejemplo, el canal de sodio controlado por voltaje de los axones

neuronales. Tiene estructura , 1 y 2. En reposo se encuentra cerrado, y se abre durante 1 milisegundo aproximadamente cuandoel potencial de membrana baja de –60 a –40 mV, permitiendo el paso de unos 6.000 iones Na+ durante ese periodo de tiempo.

1. A.2 Canales rectificadores para potasio. Como pasa en todos los canales, el soluto, en este caso el ión K +, se mueve siempre a

favor de su potencial electroquímico. Los canales rectificadores de potasio presentes en las membranas plasmáticas de las células

animales tienen la peculiaridad de que permiten la entrada de potasio a la célula, pero, aunque estén abiertos y el potencia

electroquímico del potasio favorezca su salida, no permiten la salida de dicho ión.





1. A.6 Canales de sodio de animales no regulados por voltaje. Algunos actúan como mecanoreceptores, interviniendo en el sentido de

tacto. Otros son sensores de pH; los receptores linguales del gusto ácido pertenecen a este último tipo. Otro grupo de canales

mecanosensitivos intervienen en la audición.

1. A.9 Canales para cationes o aniones, controlados por ligandos. Por ejemplo, el canal de cationes regulado por acetilcolina de la

sinapsi 2 2

cerrado, y se abre cuando se unen dos moléculas de acetilcolina en dos sitios específicos del canal, situados en la cara externa de la

membrana de la célula muscular. Permite el paso bidireccional de K+ y Na+ a un ritmo de unos 40.000 iones por milisegundo

Permanece abierto mientras tenga unida la acetilcolina. Es un ejemplo de proteína alostérica: la unión del ligando en un sitio induce un

cambio conformacional en otro lugar de la proteína, en este caso el dominio transmembrana. Un esquema sencillo del funcionamiento

de este tipo de canales se presenta aquí:

1.A.8 Acuaporinas. transportadores de glicerol y moléculas relacionadas. Las acuaporinas son proteínas de carácter universal, queno parecen estar sometidas a regulación. Son las proteínas responsables del movimiento de las moléculas de agua a través de lasmembranas. Tienen una función más compleja de lo que pueda aparecer a primera vista, porque deben dejar pasar libremente aagua, pero no a los iones hidroxilo e hidronio (el "protón") para evitar que se disipe el potencial de

membrana.

1.A.24 Conexinas de células animales, que forman los complejos de unión (―Gap junctions‖ entre células vecinas. No son selectivos, ypermiten el paso de cualquier molécula de hasta 1500 D, cuando están abiertos. Se cierran cuando aumenta la concentración de Ca+

intracelular desde 10-7 hasta 10-5 M.





específicos cada uno de ellos para diferentes tipos de insectos, y se usan como bioinsecticidas. Algunos genes de estas ICP se han

usado para construir plantas transgénicas resistentes a insectos.

La subclase 1.D comprende moléculas no sintetizadas en los ribosomas. La gramicidina es el ejemplo más conocido.

Clase 2. Tansportadores (Carriers).

Son moléculas que llevan a cabo procesos de transporte empleando como fuente de energía el potencial electroquímico de al menosuno de los solutos transportados, y mediante un cambio conformacional del propio transportador, tras la formación de un complejo

reversible transportador-soluto.

El sitio de unión del soluto se encuentra

alternativamente a un lado y a otro de

la membrana. Este es un ejemplo de

Uniporte

En realidad, el complejo transportador-soluto(s) es simplemente un caso particular de la formación de complejos proteína-ligando(s),

por lo que son de aplicación todos los conceptos estudiados en el tema correspondiente, particularmente la existencia de un flujo

máximo de soluto (análogo a la velocidad máxima de una reacción enzimática), cuando todas las moléculas de transportador tienen

ocupado su sitio de unión. Muestran saturación respecto a la concentración de soluto. Del mismo modo que en el caso genera

proteína-ligando, se puede definir una K50 que corresponde a la concentración de soluto que permite un flujo mitad del máximo.

Ejemplo teórico de flujo (expresado como moles por unidad de tiempo) a través de una membrana, enfunción de la concentración de soluto en el compartimento de salida. La concentración en el dellegada se supone 0 (flujo inicial). Se representan los resultados para dos solutos diferentes, que sediferencian en sus afinidades hacia el transportador. En ambos casos, el flujo máximo, que dependede la velocidad a la que el transportador cambia de conformación, se supone igual a 100 µmolessoluto transportado/minuto





La velocidad específica de transporte es de uno a dos órdenes de magnitud menor que para los poros y canales, ya que en este caso

el transportador tiene que mover físicamente al soluto de un lado a otro de la membrana, mientras que en los poros las moléculas se

mueven directamente por difusión.

Hay dos tipos fundamentalmente diferentes desde el punto de vista bioenergético:

Uniporte: Se transporta un único soluto, a favor siempre de su potencial electroquímico. Se trata de un caso de Difusión

Facilitada

Cotransporte (o Transporte activo secundario): Transporte mecanísticamente acoplado de dos (o más raramente tres)

solutos. Al menos uno de los solutos se transporta a favor de su potencial electroquímico, lo que suministra la energía necesaria para

transportar al segundo soluto en contra de su potencial electroquímico. Si se transportan ambos solutos en el mismo sentido se trata

de Sinporte; si se transportan en sentidos opuestos, Antiporte.

Antiporte:

dos solutos se transportan en direccionesopuestas

Sinporte:

Los dos solutos se transportan en la

misma dirección

En estos esquemas se supone que el transporte del soluto "rojo" es exergónico, mientras que el transporte del soluto "azul" es

endergónico

Es importante destacar el concepto de acoplamiento mecanístico. Evidentemente, el soluto que consume energía libre no se

puede transportar en ausencia del soluto que la proporciona, pero en los cotrasportadores el soluto cuyo transporte está favorecido

termodinámicamente NO se transporta en ausencia del otro; en este caso, no por falta de energía, sino porque el transportador no

funciona. Esta restricción evita que se disipe inútilmente el potencial electroquímico de este soluto.

Se denominan procesos de Transporte activo secundario porque:a) Uno de los solutos se transporta en contra de su potencial electroquímico, y

b) Se requiere un proceso de transporte activo primario para que el potencial electroquímico del primer soluto sea

suficientemente elevado para permitir el transporte del segundo.

Los procesos de cotransporte son, con mucho, más frecuentes que los de uniporte. De hecho, el uniporte parece ser un proceso

excepcional, limitado al transporte de azúcares en vertebrados, levaduras y alguna bacteria. Todos los transportadores pertenecen a





la subclase 2.A, de la que se han descrito un total de 81 familias. La subclase 2.B corresponde a transportadores no sintetizados en

ribosomas, de los que la valinomicina es un conocido ejemplo.

Ejemplos de transportadores:

El grupo más importante es 2.A.1, denominado la ―Principal Superfamilia de facilitadores‖ (MFS, Main Facilitato

Superfamily), con alrededor de mil miembros secuenciados. Se encuentran en todos los grupos de seres vivos. La mayor parte de

Algunos ejemplos

de estos transportadores son los siguientes:

Uniporte de glucosa en animales, para el que hay varias proteínas diferentes: GLUT1 (2.A.1.1.28), general, del que existe un modelo

teórico de su estructura terciaria ; GLUT2, (2.A.1.1.29); GLUT3, (2.A.1.1.12), que se encuentra en cerebro, y GLUT4. Se diferencian

en los tejidos donde se expresan, en su afinidad hacia la glucosa y en el requerimiento o no de insulina para su presencia en la

membrana citoplásmica:

La concentración "normal" de glucosa en la sangre

es del orden de 5 mM (línea vertical magenta). Elflujo de glucosa dependiente de GLUT1 es

prácticamente constante en el rango normal de

concentraciones de glucosa en sangre (en blanco

en la figura), pero cae rápidamente a

concentraciones de glucosa inferiores a 3 mM. Por

su parte, el flujo dependiente de GLUT2, debido al

elevado valor de su K50, varía linealmente con la

concentración de glucosa. En el hígado, la glucosaentra (o sale) en función directa de sus

concentraciones intrahepática y sanguínea.

Por último, GLUT4 incrementa su presencia en las membranas de los adipocitos y del músculo en presencia de insulina (flecha

en la figura): la insulina aumenta 20 veces la actividad de GLUT4 en la membrana de adipocitos . En ausencia de la hormona el

transporte de glucosa en estos tejidos es bajo.





En levaduras y en la bacteria Zymomonas hay también sistemas de uniporte para azúcares.

2.A.1.2 : Sistemas de antiporte droga-H+, por ejemplo antiporte tetraciclina-H+ en bacterias (y otros sistemas similares específicos para

diferentes antibióticos). Muy importantes como mecanismo de resistencia a antibióticos.

Otros ejemplos son los diferentes sistemas de sinporte aminoácidos-Na presentes en animales; o el sistema de sinporte para múltiples

vitaminas dependiente de sodio, también de animales, etc. De hecho, la mayor parte de los sistemas de captación de nutrientes de

exterior celular o de exportación de compuestos de desecho en eucariotas son sistemas de cotransporte. También son muy frecuentes

en procariotas. En animales el soluto que dona la energía para el transporte desde el exterior al interior celular es el sodio; en plantas

hongos y en bacterias (excepto en las alcalófilas) este papel lo cumple el H+.

Clase 3. Transporte activo primario (Bombas)

Estos transportadores usan una fuente de energía externa (e independiente del potencial electroquímico) para transportar solutos en

contra de su potencial electroquímico. Se forman complejo bomba-soluto, análogos a los complejos proteína –ligando de carácte

general, por lo que este tipo de transporte presenta saturación y se puede definir un valor de K50, al igual que para los transportadores

de la clase 2.

Se diferencian de la clase 4 (traslocadores de grupo) en que en algunos casos la bomba puede modificarse covalentemente durante e

proceso de transporte, pero el soluto no sufre ninguna modificación. El tipo de energía utilizada puede ser química, electroquímica o

electromagnética (luz). Las subclases de esta clase se definen, precisamente, por el tipo de energía empleada por la bomba. Las

subclases más importantes son las siguientes:

3.A Hidrólisis de un enlace pirofosfato (del ATP, de otro nucleosido trifosfato o del pirofosfato inorgánico).

3.D Energía suministrada por una reacción Redox.

3.E Energía suministrada directamente por la luz

http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/transporte/Clase%203.htm#sub3A


http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/transporte/Clase%203.htm#sub3E








Formado por una única cadena con cuatro dominios, dos

transmembrana y dos ABC

IMPORTACION Formado por cuatro subunidades diferentes

asociadas más una proteína de unión del soluto

Existe un número muy elevado de estas proteínas transportadoras. Algunos ejemplos de interés pueden ser los siguientes:

3.A.1.201.1 Transportador que confiere resistencia a múltiples drogas, de humanos. Este trasportador expulsa el compuesto

potencialmente tóxico fuera de la célula, antes de que resulte dañino y en contra de su gradiente de concentración. Es una proteína de

1280 aas, con los dos dominios transmembrana y los dos ABC en el mismo polipéptido. Hay otros transportadores en animales con

estructura similar, incluyendo transportadores de sales biliares, leucotrienos, acil-CoA, etc. En hongos, plantas y procariotas se

encuentran también transportadores que realizan funciones similares.

3.A.1.202.1 CFTR Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator. Es la proteína alterada en la fibrosis cística. Parece ser que actúa, mas

que como una bomba en sentido estricto, como un canal de cloruro regulado por AMPc y dependiente ¿por qué mecanismo? del ATP

De ser esto cierto, no sería una bomba (moviendo el cloruro en contra de su potencial), sino como un canal, moviéndose el cloruro a

favor de dicho potencial (¿Quién ha dicho que la naturaleza está obligada a seguir estrictamente nuestras clasificaciones?). Además

de su función como canal de cloruro, debe regular la actuación de canales de sodio y potasio y de otros canales de cloruro. Tiene la

estructura típica de una ATPasa del tipo ABC eucariota, estando formada por un polipéptido de 1480 aas. Además de los dos

dominios transmembrana y ABC, tiene un dominio regulador que se encuentra en la cara citosólica y que es el que une AMPc.

Familias 3.A.1.1, 3.A.1.2, 3.A.1.3, 3.A.1.4 Corresponden a transportadores procariotas de importación de azúcares, aminoácidos y

compuestos relacionados. Como ejemplo se muestra la estructura del componente de membrana del transportador ABC de

importación de la vitamina B12 de E.coli





Superfamilia 3.A.2 ATPasas de tipo F, V y A.

Estas ATPasas se caracterizan por ser proteínas de gran tamaño y tener todas ellas una estructura similar, estando formadas por un

número elevado de polipéptidos. Tienen dos componentes fundamentales: una "base" hidrofóbica, que atraviesa la membrana y que

está formado por un haz de 9 a 13 cadenas polipeptídicas, y una ―cabeza‖ asociada mediante un "tallo" a la base. Esta cabeza tiene

ilmente de la base. La hidrólisis del ATP ocurre en la cabeza.

Estructura de una ATPasa de tipo F.

La base hidrofóbica y la cabeza hexamérica

polar se unen por el tallo

El tallo está formado, como mínimo, por la

subunidad , que actúa como eje asimétrico

de la cabeza

Vista en planta de la cabeza, formada po

tres dímeros y la subunidad en el medio

del hexámero

Las ATPasas F (de eubacterias, mitocondrias y cloroplastos) y las ATPasas A (de arqueas) funcionan normalmente en la dirección de

la síntesis de ATP. Es decir, emplean la energía que se libera en el transporte de H + (o, más raramente, Na+) a favor de su potencia

electroquímico, para sintetizar ATP. Son bombas funcionando ―al revés‖. Cuando se separa la cabeza del tallo, la primera actúa





simplemente hidrolizando ATP, por lo que se denominó a estas enzimas inicialmente como ATPasas; más lógico sería denominarlas

ATP sintetasas.

El mecanismo de actuación de estas enzimas se describirá en el tema correspondiente a la fosforilación oxidativa. Las ATPasas V son

típicas de eucariotas. Se encuentran en la membrana de orgánulos tales como vacuolas (en vegetales) o lisosomas (en animales)





Bombean H+ desde el citosol al orgánulo en cuestión, siendo las responsables del pH ácido que tienen vacuolas y lisosomas. Para

este transporte en contra del potencial electroquímico del H+ emplean como fuente de energía la hidrólisis del ATP.

Superfamilia 3.A.3

ATPasas del tipo P. Comprenden un número elevado de proteínas que se encuentran en arqueas, eubacterias y eucariotas, que en su

inmensa mayoría transportan activamente cationes. En todas ellas hay un polipéptido responsable tanto del transporte como de la

hidrólisis del ATP y de la fosforilación específica; en el caso de eucariotas este polipéptido tiene un dominio transmembrana formado

por 10 hélices, y un dominio citosólico en donde se encuentra el sitio de hidrólisis de ATP y fosforilación. Normalmente tienen otras

subunidades acompañantes, que pueden ser o no imprescindibles para el transporte pero cuya función no se conoce con certeza

(estructura del tipo ). Las proteínas activas son, en eucariotas, homodímeros de este dímero (estructura en otros

casos ).

Se denominan ATPasas de tipo P porquedurante su ciclo catalítico el ATP cede sufosfato terminal a un resto de aspártico,formándose un intermediario fosforilado(Phosphorilated) de la enzima.

Durante el ciclo de transporte la enzimapasa por dos estados conformacionales.E1, que está abierto hacia el citosol y esmás estable en la forma no fosforilada.E2, es más estable en la forma fosforilada yestá abierto hacia el compartimento de

salida.

Mecanismo de la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico SERCA ATPasa





En algún caso la estequiometría del transporte es compleja, moviendo simultáneamente dos o más iones por ciclo catalítico. Algunos

ejemplos importantes son:

3.A.3.1.1 Na+ K+ ATPasa, la ―bomba de sodio‖ de las membranas citoplásmicas de las células animales

Es la responsable de la creación y mantenimiento del potencial de membrana de las células de animales, y de la creación del

gradiente de iones Na+ cuya entrada al interior de la célula se emplea en los procesos de cotransporte. De hecho, en una célula en

reposo la mayor parte del ATP es empleado precisamente por esta proteína. La reacción que cataliza es la siguiente:

Es decir, saca tres iones Na+ y mete dos iones K+ del citosol por cada ciclo catalítico. En ambos casos estos iones se mueven en

contra de su potencial electroquímico. Es un transporte electrogénico: la cara interior de la membrana se vuelve negativa respecto alexterior.

3.A.3.1.2 H+ K+ ATPasa.. Se encuentra en la membrana apical de las células de la mucosa gástrica, siendo la enzima directamente

responsable del pH ácido del jugo gástrico. Otras isoformas de la enzima se encuentran en el riñón, colon y próstata, en donde

intervienen en el mantenimiento del pH extracelular. Exporta 2 H+ e importa 2 K+ por ciclo catalítico.

Familia 3.A.3.2 Ca++ ATPasas. Exportan calcio desde el citosol hacia el exterior de la célula o hacia compartímentos intracelulares

(Golgi, retículo endoplásmico, vacuolas). La mejor conocida es la bomba de calcio del retículo sarcoplásmico (SERCA ATPasa) demúsculo de mamíferos.

http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/transporte/procesos_quimiosmoticos.htm#Acidificacion%20del%20jugo%20gastrico







3.A.3.3.1 H+ ATPasa de la membrana plasmática de plantas y hongos. Es la enzima responsable de la creación del potencial de

membrana en estos organismos, en los que el ión que se emplea en los procesos de cotransporte es el H +, a diferencia de los

animales que empleamos Na+.

Existen además diferentes ATPasas del tipo P que intervienen en la exportación de metales tóxicos, como cobre, plata y plomo. Se

encuentran en eucariotas (incluidos mamíferos), eubacterias y arqueas.

Subclase 3.E (dependientes de la luz).

Está formada por bombas que acoplan la energía de los fotones al bombeo de solutos en contra de su potencial electroquímico.

Superfamilia 3.E.1 Este grupo está formado por un número muy pequeño de bombas. Son las bacteriorodopsinas y las

halorodopsinas de la arquea Halobacterium, que utilizan directamente la luz para transportar iones H+ o cloruro en contra de su

potencial. Aunque no se han descrito bombas de este tipo en eucariotas (hay un posible ejemplo en bacterias), si se han encontrado

proteínas homólogas que actúan como sensores de luz en hongos o como canales controlados por la luz (en Chlamydomonas).

La superfamilia 3.E.2 está formada por los centros de reacción fotosintéticos (RC) de eubacterias fotosintéticas y cloroplastos. En mi

opinión personal, y aunque en la clasificación comentada se consideran como bombas, esto no es estrictamente adecuado ya que

estos centros de reacción no bombean directamente solutos ellos solos, sino que para ello requieren un ciclo complejo en el que

participan otras moléculas.





1: Anhidrasa carbónica2: Antiporte electroneutro cloruro-bicarbonato3: H+K+ ATPasa electroneutra.4: Sinporte electroneutro cloruro-potasioEn rojo transporte endergónico; en azul, transporteexergónico

Circuitos quimiosmóticos en una célula animal

En una célula animal típica, la mayor parte del ATP se sintetiza apartir de ADP y fosfato mediante la fosforilación oxidativamitocondrial. En este proceso los tres centros redox de la cadenarespiratoria mitocondrial bombean hidrogeniones desde la matrizmitocondrial al espacio intermembranas, desarrollando una fuerzaprotonmotriz del orden de - 180 mV. Esa fuerza protonmotrizpermite la síntesis de ATP mediante la ATPsintetasa F. El ATP sepuede emplear, entre otras muchas reacciones, para establecer losgradientes de sodio y potasio a través de la membrana plasmática

de la célula (mediante la bomba de sodio-potasio del tipo P), y paraacidificar los lisosomas mediante una ATPasa V. El gradiente desodio se emplea como fuente de energía para el transporte desolutos a través de la membrana plasmática mediante diferentesprocesos de cotransporte. Obviamente esto es un modelo muysimplificado: hay otras ATPasas de tipo P y de tipo ABC en losdiferentes sistemas de membrana.

http://www.biorom.uma.es/contenido/JCorzo/temascompletos/transporte/fuerza_protonmotri.htm







distintos compartimientos

LIC 2/3

LEC 1/3LIT 3/4

Plasma 1/4

Los líquidos de los diferentes compartimientos están separados por membranas biológicas:

la membrana plasmática separa al LIC del IT y el epitelio que forma la pared de los vasos sanguíneos (endotelio)separa al líquido IT del plasma. Los compartimientos donde se reparten los líquidos corporales presentan diferentesconcentraciones de iones y moléculas. Las diferencias entre los compartimientos son mantenidas por la permeabilidadselectiva de las membranas.

el epitelio que forma la pared de los vasos sanguíneos (endotelio) separa al líquido IT del plasma. Los compartimientosdonde se reparten los líquidos corporales presentan diferentes concentraciones de iones y moléculas. Las diferencias entrelos compartimientos son mantenidas por la permeabilidad selectiva de las membranas.

Para comprender cómo se generan y mantienen estos desequilibrios en los líquidos corporales, esenciales para el funcionamientoorgánico, es necesario conocer algunos principios físico-químicos que rigen el movimiento de las partículas en solución y los

mecanismos de transporte de las membranas biológicas.

Concepto de difusión

Cuando las partículas (moléculas o iones) están en solución en un medio

líquido o gaseoso se mueven de acuerdo con la energía cinética que

poseen. Los movimientos ocurren al azar , sin seguir ninguna dirección

particular. Cada partícula tiene la misma probabilidad de moverse en

cualquier dirección del espacio.

Si existe una zona del sistema donde la concentración del soluto esmayor, entonces es más probable que las partículas se muevan desde

esa zona hacia otra, que a la inversa, por el simple hecho de que allí son

más. Se registrará entonces un movimiento neto de soluto desde la

zona de mayor a la de menor concentración . A ese movimiento se lo





denomina difusión.

A la diferencia de concentración de un soluto a lo largo de una distancia se le da el nombre de gradiente de concentración. Cuando

una partícula difunde (va desde donde está más hacia donde está menos concentrada) se dice que se mueve “a favor de gradiente”

Si transcurre un tiempo, las partículas llegarán a igualar su concentración en todoslos puntos del sistema; es decir, se anulará el gradiente. Las partículas seguiráncon sus movimientos aleatorios después de que haya desaparecido el gradienteSin embargo, esos movimientos no representarán cambios en lasconcentraciones, pues por cada partícula que se mueva desde A hacia B habráotra que lo haga desde B hacia A. En esa situación se habrá alcanzado unequilibrio dinámico, sin que se registre movimiento neto de partículas.

La difusión es un fenómeno pasivo y espontáneo que se produce en cualquiemedio donde haya partículas disueltas. Cotidianamente somos testigos de procesos de difusión. Podemos observarla, por ejemplocuando el azúcar se reparte uniformemente en el agua de una taza, cuando el té colorea el agua en la que sumergimos el saquito ocuando al destapar un frasco con perfume, las moléculas de perfume llegan hasta nuestras fosas nasales. Todos ellos sonmovimientos a favor de gradiente. Los movimientos contra gradiente (desde la zona de menor a la de mayor concentración) encambio, no son procesos espontáneos ni pasivos; son fenómenos diferentes de la difusión, para los cuales se requiere un aporte deenergía.

La velocidad de difusión es directamente proporcional a la temperatura, a la solubilidad de las partículas en el medio y agradiente de concentración, y es inversamente proporcional a la distancia a recorrer. Si los solutos son iones, la difusión ya nodependerá solamente del gradiente químico, sino también de la diferencia de carga o gradiente eléctrico. Los aniones se moveránhacia la zona más positiva y los cationes hacia la zona más negativa.

Difusión a través de la membrana plasmática

La membrana plasmática está interpuesta entre el medio intracelular y el líquido intersticial. Ambos compartimientos son solucionesacuosas con muchos tipos de iones y moléculas en solución.

Los solutos tienden a difundir espontáneamente desde un compartimiento al otro siguiendo sus respectivos gradienteselectroquímicos.





Cuando un soluto difunde libremente a través de la membrana, se iguala laconcentración del mismo en los medios intracelular y extracelular. La direccióndel movimiento depende exclusivamente del gradiente. Por tratarse de unfenómeno espontáneo, este tipo de transporte no implica un gasto energéticopara la célula. Se dice por esto que la difusión es un transporte pasivo.

Cada soluto difundeindependientemente de otros, afavor de su gradiente

Sin embargo, no todos los solutos difunden libremente, pues la membrana seinterpone como una barrera de permeabilidad selectivaLa posibilidad de difusión a través de la membrana (cuando está establecidoun gradiente a ambos lados de la misma) depende de dos factores:

el tamaño de las partículas del soluto, y

la afinidad entre el soluto y los componentes de la membrana.

En lo que respecta al tamaño, solo podrán difundir iones o moléculas relativamente pequeñas, cuyo tamaño les permita atravesar loscanales que se forman entre los componentes de la membrana o por el interior de ellos.

En lo relativo a la afinidad por los componentes de membrana, los solutos se comportan de distinta forma, de acuerdo a su carácteapolar (hidrofóbico) o polar (hidrofílico). Los primeros se mueven a través de la bicapa lipídica, mientras que los segundos engeneral requieren la presencia de proteínas transportadoras.

Difusión simple

Es el pasaje a favor de gradiente a través de los espacios generados entre los lípidos que forman la bicapa.

La velocidad de difusión simple se ve afectada por la fluidez o libertad de movimiento que tienen los lípidos dentro de la bicapaCuanto más fluida es la membrana, con mayor velocidad se produce la difusión simple. La fluidez de la bicapa, a su vez, crece con egrado de insaturación de los lípidos (ver cap. 2).

Dos compuestos pequeños y apolares que se mueven por difusión simple a través de la membrana son el oxígeno (O2) y el dióxidode carbono (CO2). El oxigeno se halla dentro de las células a baja concentración, ya que es consumido continuamente en el procesode respiración celular. Eso hace que se mantenga un gradiente con respecto al medio extracelular y el oxígeno ingresa a la célula podifusión simple. Lo contrario ocurre con el dióxido de carbono, que es generado en la respiración celular. Como su concentración enlas células es mayor, el gradiente lo lleva hacia el medio extracelular.

Otros compuestos hidrofóbicos (liposolubles) de mayor tamaño, como ácidos grasos y esteroides, se mueven a través de lasbicapas por difusión simple.

Algunas moléculas polares sin carga, muy pequeñas, como la urea, el etanol o el agua, pueden atravesar la bicapa lipídica, pero lohacen en menor grado y más lentamente que las moléculas apolares.





Difusión facilitada

Los iones y moléculas polares más grandes también pueden difundir a través de la membrana. Sin embargo, debido a sunaturaleza hidrofílica, resultan rechazados por la bicapa lipídica. Este tipo de partículas ingresa a la célula o egresa de e lla (según susrespectivos gradientes) a través de proteínas de la membrana llamadas proteínas transportadoras. Las proteínas transportadoras

delimitan espacios rodeados por sus cadenas polares, que permiten a otras moléculas polares atravesar la membrana sin tomarcontacto con el espesor hidrófobo de la bicapa.

La difusión a través de proteínas transportadoras se denomina difusión facilitada.

Dos grupos de proteínas transportadoras intervienen en la difusión facilitada: los canales y los carriers o permeasas. Los canales sonproteínas que ofrecen un canal hidrofílico para el pasajede iones. Algunos canales están permanentementeabiertos, mientras que otros poseen compuertas cuyocierre y cuya apertura están regulados por algún tipo deseñal.

Los carriers o permeasas son proteínas con un sitioespecífico donde encaja un determinado tipo de soluto.La unión del soluto específico provoca un cambio en laconformación del carrier. Este cambio conformacionalarrastra al soluto hacia el lado opuesto de la membrana,donde es liberado. Después de liberar el soluto, elcarrier retoma su conformación inicial.





En la membrana plasmática existen carriers para transportar glucosa, aminoácidos, dipéptidos, y otras moléculas polares.

Ósmosis. Transporte de agua a través de la membrana plasmática

La ósmosis se define como el pasaje de un solvente, a través de una membrana semipermeable, desde la solución más diluidaa la más concentrada.

Hay situaciones en las cuales la membrana que separa dos compartimientos permite el pasaje del solvente, pero no el del soluto

(membrana semipermeable). Si las soluciones ubicadas a ambos lados de la membrana presentan diferentes concentraciones desoluto, éstos tenderán a difundir, pero no podrán hacerlo porque la membrana no es permeable para ellos. Como las partículasdisueltas ejercen atracción sobre el solvente, es éste el que se mueve de un compartimiento al otro. El solvente se mueve hacia lasolución más concentrada, debido a que es la que tiene, relativamente, más partículas de soluto y por consiguiente ejerce mayoratracción.

A la solución que es más concentrada con respecto a otra se la llama hiperosmótica; la menos concentrada es la hipoosmótica.

A medida que ocurre la ósmosis, la solución diluida se concentra y la concentrada se diluye. La ósmosis tiende a igualar laconcentración en ambos medios. Cuando dos medios tienen la misma concentración son isoosmóticos uno respecto del otro. Unavez igualada la concentración, se alcanza un equilibrio dinámico: por cada molécula de solvente que pasa hacia un lado de lamembrana, otra lo hará hacia el lado opuesto.

La ósmosis no iguala la cantidad de soluto y solvente en ambos medios, sino que iguala la relación entre uno y otro, es decir: laconcentración. En la solución hiperosmótica se produce un aumento del volumen, mientras que en la hipoosmótica, el volumendisminuye.





La ósmosis puede detenerse antes de alcanzarse el equilibrio de concentración, porque alguna otra fuerza se opone a ella. Porejemplo, la ósmosis puede ser limitada porque el compartimiento hacia donde va el solvente no tiene más capacidad. O puede secontrarrestada por el mismo peso de la columna líquida.

Se define a la presión osmótica como la presión necesaria para contrarrestar la ósmosis. La presión osmótica de una solución mideindirectamente, cuán fuerte es la atracción que la solución ejerce sobre el solvente.

La presión osmótica de una solución no depende del tipo de partículas disueltas, sino solamente de la cantidad de las mismasPara medir la cantidad de partículas disueltas osmóticamente activas en una solución se utiliza la osmolaridad. En fisiología laosmolaridad se mide en miliosmoles (1 mOsm = 10-3 osmoles).

La membrana celular se comporta, para muchas sustancias, como una membrana semipermeable. El movimiento de agua entre elíquido extracelular y el líquido intracelular se produce por ósmosis. Por lo tanto, el ingreso de agua a la célula y su egreso siguen losmovimientos de los solutos.

La ósmosis es un transporte pasivo, que no requiere aporte de energía por parte de la célula. El agua, pequeña molécula polar sincarga, como ya se mencionó, puede atravesar la bicapa lipídica.





Transporte activo

Las células son capaces de transportar solutos encontra de su gradiente de concentración (desde lazona de menor a la de mayor concentración). Esto lespermite establecer un desequilibrio entre las

concentraciones de algunas sustancias en el líquidointracelular y el líquido extracelular.

Los transportes contra gradiente requieren:

la presencia de una proteína transportadoray

una fuente de energía.

A los transportes realizados contra gradiente, pointermedio de proteínas transportadoras y con gasto

de energía se les da el nombre de transporte activo.Un tipo de transporte activo, llamado transporteactivo primario, es el que está mediado por bombasLas bombas son proteínas transportadorasespecíficas para determinado tipo de soluto. Pueden

captar el soluto de un lado de la membrana, donde se halla a menor concentración y soltarlo del lado opuesto, donde su concentraciónes mayor. El pasaje del soluto a través de la bomba se debe a un cambio conformacional de la proteína. Para concretar este cambioconformacional y por ende el transporte de soluto, la bomba depende de la presencia de ATP.La molécula de ATP es hidrolizada durante el transporte, de manera que libera la energía que tiene almacenada. Esta energía seutiliza para propulsar el trabajo que implica mover un soluto en contra de su gradiente.

Bomba de sodio y potasio (Na+/K+ ATPasa)

La bomba de sodio (Na+) y potasio (K+) se encuentra en las membranas de lascélulas animales. Es una proteína integrada por cuatro subunidades, dos alfa y dosbeta (alfa2-beta2). Las subunidades beta poseen varias cadenas oligosacarídicashacia la cara extracelular. Las subunidades alfa poseen sitios de unión para epotasio en su cara extracelular y para el sodio en su cara intracelular.

La bomba transporta ambos cationes en sentido opuesto (antiporte) y contrasus respectivos gradientes. El Na+ es transportado hacia el medio extracelular y

el K+ es transportado hacia el medio intracelular. El transporte de Na+ y el de K+están acoplados, pues no pueden realizarse el uno sin el otro.El sistema funciona con aporte de energía, proporcionada por la hidrólisis de ATPLa subunidad alfa posee, en su cara citosólica, un sitio para el ATP y cataliza suhidrólisis.

Cada ATP que se hidroliza posibilita el transporte de 3 Na+ hacia el espacio extracelular y 2 K+ hacia el citosol.





La bomba de Na+ y K+ es la responsable de la desigualdad en la distribución de estos cationes entre el LIC y el LEC.

La bomba de Na+ y K+ también es electrogénica: genera una diferencia de voltaje o potencial eléctrico a ambos lados de lamembrana. El potencial eléctrico se establece cuando las cargas eléctricas a uno y otro lado no están equilibradas. Como la bombaextrae tres cationes por cada dos que introduce, contribuye a que la membrana plasmática sea más negativa en su cara citosólica queen su cara extracelular.





Transporte en masa

La membrana plasmática puede transportar macromoléculas, como

proteínas, y también partículas de mayor tamaño. El transporte de estetipo de sustancias está mediado por vesículas y se denomina transporteen masa. La endocitosis y la exocitosis son dos formas del transporte enmasa.

La endocitosis consiste en la incorporación de grandes moléculas queestán en suspensión en el medio extracelular. En el sitio donde seproduce el ingreso, la membrana se invagina, formando una depresiónde cuya parte más profunda se desprende hacia el citosol una vesículaendocítica o “endosoma”. En el endosoma quedan encerradas lasmacromoléculas. Posteriormente, el endosoma puede fusionarse con unlisosoma, lo que posibilita la digestión o hidrólisis de las sustancias

incorporadas.

La exocitosis es un transporte por el cual las células pueden exportaproductos que, provenientes del aparato de Golgi, fueron empacados en vesículas de secreción. Las vesículas de secreción sefusionan con la membrana plasmática y vuelcan su contenido al exterior. Así se liberan al medio extracelular hormonas, componentesde la matriz extracelular, enzimas, anticuerpos y muchas otras sustancias útiles fuera de la célula de origen.

En algunos casos la exocitosis permite la eliminación de desechos del proceso digestivo ocurrido dentro de los lisosomas.





Intercambios a través de la membrana endotelial

Los dos líquidos corporales que forman el medio interno, el plasma y el líquido intersticial, están separados por la membranaendotelial.El endotelio es la capa de tejido interior en las paredes de los vasos sanguíneos. Las arterias y las venas tienen gruesas paredes contejido muscular y conectivo por fuera del endotelio. Esto las convierte en estructuras impermeables. Los vasos sanguíneos capilaresen cambio, tienen una pared muy delgada formada solamente por la membrana endotelial. Son permeables, y por eso se constituyenen la superficie de intercambio entre el plasma y el líquido intersticial.

El endotelio es un epitelio formado por una sola capa de células planas, rodeadas por una membrana basal. Las célulasendoteliales están unidas mediante uniones estrechas separadas por poros o hendiduras. El diámetro de estas hendiduras es algomenor que el de un molécula proteica, como la albúmina.

Por lo tanto, a través de las hendiduras el líquido puede filtrarse libremente, junto con la mayor parte de los iones y pequeñasmoléculas disueltas, a excepción de las proteínas. A medida que la sangre atraviesa el capilar, un número enorme de moléculas deagua y de partículas disueltas difunden en ambos sentidos a través de la pared capilar, proporcionando una mezcla continua entre eplasma y el líquido intersticial.

Las moléculas liposolubles directamente difunden a través de la membrana plasmática de las células endoteliales.

Algunas macromoléculas son transportadas por transcitosis: se endocitan en una de las superficies de la pared endotelial y seexocitan por la superficie opuesta.





Las proteínas plasmáticas, que se encuentran en suspensión coloidal, generan una presión osmótica que se opone a la fuerza defiltración capilar. Esta presión, llamada presión oncótica o coloidosmótica evita una pérdida significativa de volumen de líquidodesde la sangre al espacio intersticial.

Resumen de los intercambios entre LIV, LIT y LIC

Composición de los líquidos corporales

En el siguiente gráfico se observa la distribución en cada compartimiento de algunos iones de importancia fisiológica. Cada ión serepresenta con un símbolo diferente. Los tamaños de los respectivos símbolos intentan dar idea de la proporción relativa oconcentración a que éstos se encuentran en los distintos líquidos corporales.





Como se puede observar, los iones inorgánicos sodio (Na+), potasio (K+), cloruro (Cl-) y calcio (Ca2+) se hallan a igual concentraciónen el líquido intersticial y en el plasma, ya que filtran libremente por los poros capilares. La principal diferencia entre estoscompartimientos está dada por las proteínas plasmáticas, cuyo tamaño, superior al de los poros del endotelio, hace que seanretenidas en el plasma.

Cada compartimiento tiene neutralidad eléctrica: la suma de los aniones es igual a la de los cationes. La presencia de iones nodifusibles a un lado de la membrana afecta la distribución de los iones difusibles. Por ejemplo, la carga negativa de las proteínasplasmáticas (no difusibles) obstaculiza la difusión de los cationes difusibles (que son atraídos) y favorece la de los aniones difusibles(los cuales resultan repelidos) desde la sangre.

El líquido intracelular contiene proteinatos (aniones de proteínas con cargas negativas) y fosfatos. Su concentración de cloruros espoco significativa. En lo que respecta al Na+ y al K+, sus proporciones se invierten en relación al plasma; mientras que el Na +, es eprincipal catión extracelular, el K+ es el principal catión intracelular. Esta diferencia es el resultado del continuo accionar de la bombade y K+. En cuanto al anión cloruro, se acumula en el LEC pues se moviliza tras el Na+, siguiendo un gradiente eléctrico.

La concentración de Ca2+ es extremadamente baja en el citosol; en cambio es muy alta en el REL y las mitocondrias. Esto obedecea que en las membranas de estas organelas existen bombas de Ca2+ que lo acumulan contra gradiente, con gasto de ATP.

A pesar de las diferencias en la composición iónica, los líquidos en los tres compartimientos tienen la misma osmolaridad(concentración de partículas medida en osmoles / l) igual a 300 miliosmoles /l. Todos los líquidos corporales se encuentran enequilibrio osmótico.

El término tonicidad se usa para describir la osmolaridad de una solución comparada con el plasma. Si una solución tiene la mismaosmolaridad que el plasma es isotónica; cuando tiene mayor osmolaridad es hipertónica; si su osmolaridad es menor que la deplasma, es hipotónica.





3.3. El ciclo celular

El ciclo de división celular es el mecanismo a través del cual todos los seres vivos se propagan. En los organismos unicelulares ladivisión celular implica una verdadera reproducción, ya que por este proceso se producen dos células hijas que maduran y seconvierten en dos individuos distintos. En los organismos multicelulares se requieren muchas más secuencias de divisiones celularespara crear un nuevo individuo; la división celular también es necesaria en el cuerpo para reemplazar las células perdidas por

desgaste, mal funcionamiento o por muerte celular programada. Es importante señalar que en las células somáticas, la célulasproducidas son genética, estructural y funcionalmente idénticas tanto a la célula materna como entre sí, a menos que hayan sufridomutaciones. Las células nuevas heredan un duplicado exacto de la información ―hereditaria‖ (genética) de la célula ―materna‖ (madre)Para que esto se lleve a cabo es necesario que la célula coordine un conjunto complejo de procesos citoplasmáticos y nucleares.En las células eucariotas, el problema de dividir exactamente el material genético es muy complejo por la serie de procesos que debenocurrir para lograr este objetivo. La solución a este problema está dada por un conjunto de pasos llamado ciclo celular, el cual a su vezse divide en dos estados: mitosis e interfase (figura 1).Antes de que una célula pueda comenzar la mitosis y dividirse efectivamente debe duplicar su ADN cromosómico, sintetizar mayorcantidad de histonas y otras proteínas asociadas al ADN de los cromosomas, producir una reserva adecuada de organelas para lasdos células hijas y ensamblar las estructuras necesarias para que se lleven a cabo la mitosis y la citocinesis. Estos procesospreparatorios ocurren durante la interfase, que a su vez se divide en tres etapas: G1, S, G2.

Figura 1. Las cuatro fases sucesivas del ciclo de una célulaeucariota típica. Durante la interfase la célula crececontinuamente; durante la fase M se divide. La replicación deADN se produce únicamente durante la fase S de la interfase.

Etapas de la interfase

El inicio de un nuevo ciclo: fase G1 . La fase G1 que sigue a la citocinesis y precede a la fase S es un período de actividadbioquímica intensa. La célula incrementa el material enzimático, sus organelos se replican, así como otras moléculas y estructurascitoplasmáticas también aumentan en número; en consecuencia, la célula aumenta en tamaño. Algunas estructuras son sintetizadaspor la célula; entre estas se encuentran microtúbulos, microfilamentos de actina y los ribosomas, los cuales están compuestos porsubunidades proteicas. Las estructuras membranosas como el aparato de Golgi, los lisosomas, las vacuolas y las vesículas se derivandel retículo endoplásmico, el cual se renueva y aumenta en tamaño por la síntesis de proteínas y lípidos. También hay replicación demitocondrias y cloroplastos previamente existentes. Las células en G1 pueden detener su progresión en el ciclo y entrar en un estadode reposo especial, llamado Go (G cero), donde pueden permanecer durante días, semanas o años antes de volver a proliferar y en

ocasiones nunca más dividirse, como por ejemplo las fibras musculares esqueléticas que no se dividen, pero sí renuevan susorganelas citoplasmáticas.

Senescencia celular: fase Go. El estado de Go es de reposo y ausencia de crecimiento, que difiere de todos los estados queexperimenta el ciclo celular. La ausencia de factores de crecimiento apropiados llevan a las células a una especie de latencia en eciclo celular, en el cual el sistema de control no avanza a través de G1, ya sea porque es incapaz o porque no lo necesita; además, sse suprimen los nutrientes a la célula, ésta no podría proseguir con el ciclo. Por ejemplo, en la ausencia de aminoácidos la síntesis deproteínas no se llevaría a cabo óptimamente y por tanto la célula no continuaría con su división.





Tabla 1. Duración del ciclo celular.1

Interfase Mitosis G1 S G2 M5 horas 7 horas 3 horas 1 horaMitosis Profase Metafase Anafase Telofase36 minutos 3 minutos 3 minutos 18 minutos

Regulación del ciclo celular

Los procesos básicos tales como la replicación del ADN, la mitosis y la citocinesis se ponen en marcha mediante un sistema decontrol central del ciclo celular. Éste es un dispositivo bioquímico que actúa cíclicamente, compuesto por un conjunto de proteínasinteractivas y dependientes entre sí que inducen y coordinan los procesos subordinados básicos (aquellos procesos que ocupan unaposición inferior en la jerarquía del control del ciclo celular) que duplican y dividen los contenidos de la célula. Durante un ciclo celulartípico, el sistema de control está regulado por unos factores de retraso que pueden parar el ciclo en unos puntos de controdeterminados. En ellos existen señales de retroalimentación que pueden retrasar el propio sistema de control, evitando que se

desencadene el proceso siguiente sin que el anterior haya terminado adecuadamente.

Figura 2. Regulación del ciclo celular . Los procesos básicos tales como la replicación del DNA, la mitosis y la citocinesis se ponenen marcha mediante un sistema de control central del ciclo celular.

Coordinación de la replicación y crecimiento de la célula en el ciclo celular:

Los puntos de chequeo o puntos de control

Los puntos de chequeo actúan en lugares cruciales del ciclo celular, es decir, entre el final de una etapa y el inicio de la siguiente; unode ellos se encuentra en G1, justo antes de entrar en fase S y el otro en G2 antes de la mitosis. En estos puntos de control seexamina el estado nutricional, la masa celular, procesos de crecimiento, estado del ADN, estados de las partículas, entre otroselementos necesarios para a un ciclo celular típico normal.El sistema de control del ciclo celular está basado en dos familias claves de proteínas. La primera es la familia de las proteínascinasas dependientes de ciclinas (kdc), las cuales sufren fosforilación sobre sus aminoácidos (serinas y treoninas). La segunda familiason las ciclinas (cdc) (llamadas así debido a que aparecen y desaparecen a lo largo del ciclo), las cuales se unen a las kdc´s ycontrolan sus reacciones de fosforilación. El ensamblaje cíclico entre estos dos compuestos, ciclinas y kdc, su activación ydesensamblaje son los procesos centrales que dirigen el ciclo celular.





Existen dos clases de ciclinas: las ciclinas mitóticas, las cuales se unen a las kdc´s durante G2, forman el Factor Promotor de la faseM (FPM), el cual induce a la célula a entrar en mitosis; la segunda clase son las ciclinas G1, las cuales se unen a las kdc durante G1 einducen el paso de G1 a fase S.

Factor promotor de la fase M: FPM

También conocido como factor promotor de la maduración, actúa como inductor para mitosis y para el mantenimiento e iniciación de laprofase. Corresponde al punto de control G2 del ciclo celular. El FPM consta de dos subunidades: una subunidad catalítica llamadakdc (p34 en los mamíferos y cdc2 en levaduras), que lleva a cabo la transferencia de grupos fosfatos del ATP a residuos específicosde serina y treonina. Otra subunidad reguladora (ciclina) llamada p45 necesaria en la función de la cinasa con sustratos apropiados.Los nombres específicos de estas subunidades varían de una especie a otra (tabla 2)

Activación

En levaduras la ciclina del FPM, aunque es necesaria, no es suficiente para activar la cdc2; sin embargo, una vez adherida a la ciclinaB durante la interfase, la cdc2 se convierte en sustrato para dos proteínas cinasas. La primera cinasa fosforila un residuo tirosinacerca del lugar catalítico de cdc2, bloqueando su actividad cinasa e impidiendo que actúe prematuramente como FPM.

Tabla 2. Diferentes nombres que reciben la proteínas de control por especies para el FPM.1 - 3

Factor promotor de mitosis Especie Cinasa CiclinaLevaduras Cdc2

Cdc28Cdc13CLB1-4

Ranamamíferos

p34 Ciclinas A, B1, B2





La segunda cinasa fosforila un residuo de treonina en otra región de la molécula de cdc2; en este momento el FPM continua inactivo.Este último fosfato permanece mientras el primero es retirado de la tirosina (desfosforilación) por una fosfatasa, quedando así ecomplejo FPM activo. La función de la fosfatasa sobre el fosfato unido a la tirosina mantiene la relación entre la activación y lainactivación del FPM con lo cual controlan el inicio de mitosis.

El FPM activo estimula la activación de más FPM, probablemente estimulando la actividad de la fosfatasa y la inhibición de la primeracinasa, creando así una retroalimentación negativa.

Entre otras funciones del FPM está el inducir con la condensación de la cromatina, el rompimiento de la membrana nuclear y lareorganización del citoesqueleto formando el huso mitótico, gracias a su actividad cinasa. Estas funciones se pueden realizarfosforilando otras cinasas. En la degradación de la membrana nuclear fosforila los residuos de serinas.

Otra de las moléculas que puede fosforilar el FPM directamente es la histona H1, la cual interviene en el empaquetamiento del ADNen los nucleosomas. El FPM cambia el comportamiento de los microtúbulos en mitosis, fosforilando las proteínas asociadas a ellosEsto promueve la formación del huso mitótico (figura 4).

Inactivación

El FPM controla el tamaño celular, por ejemplo cuando el tamaño es inadecuado (muy grande o muy pequeño) se activa la primeracinasa y se inactiva la fosfatasa, evitando que la célula entre a la fase M.En ausencia de síntesis de proteínas, al final de la interfase se producirá una inactivación del FPM y, por consiguiente, la mitosis no se

dará.Las ciclinas se caracterizan porque se acumulan de manera continua durante la interfase hasta la transición metafase-anafase, dondese destruyen progresivamente. Esto nos demuestra que la destrucción de la ciclina inactiva el FPM y permite también la salida de lacélula de la mitosis. Con un umbral bajo de ciclinas se aumentan las posibilidades de inactivación, lo que explica que la relaciónciclina-activación es directamente proporcional. La destrucción de la ciclina se lleva a cabo por una proteólisis. Este proceso necesitauna secuencia señal en la cadena polipeptídica de ciclina, que dirige a la molécula a su degradación (proporcionando un lugar deunión de la ubiquitina) y que depende de la activación o inactivación del FPM; es necesario que haya esa proteólisis de la ciclina parala entrada a la interfase.





Control principal en G1: punto de inicio

Corresponde al punto de control principal en ciclo celular. Si la célula supera dicho inicio, también superará el punto de control deentrada a la mitosis una vez ha completado la fase S. Este punto, como el paso por el punto de control G2, depende de una cinasadependiente de ciclina. Para que la célula supere este punto se necesitan tres condiciones:

Tamaño adecuado de la célula. Disponibilidad de alimento.

Demandas reproductivas.Si en algún momento unas de estas falla, el sistema de control se detiene para proporcionar tiempo al crecimiento.Para el control de estos procesos se ha encontrado una proteína, la cdc2, que tiene distintas actividades en los dos puntos de controimportantes y que se asocia con dos diferentes ciclinas. En G2 se asocia con una ciclina para formar el FPM; mientras en G1 seasocia con la ciclina G1 para formar el complejo cinasa de inicio. Las ciclinas con las cuales se únela cdc2, determinan las proteínasblanco que se van a fosforilar y dirigir la actividad metabólica de G1 y no el cdc2.La ciclina G1 posee tres fenotipos (dependiendo del organismo) que le permiten superar el paso de inicio, aunque con uno o dos deellos ya puede lograrlo de manera rápida definitiva e irreversible. El estímulo para la producción de estas ciclinas es poretroalimentación positiva, pues cuando una ciclina G1 se una a la cinasa cdc2, crean un complejo activo que induce la transcripciónde los genes para formar las otras dos ciclinas y estas a su vez se unen a la cinasa cdc2, activando nuevamente esta vía paraincrementar su producción. Una vez la célula haya pasado del inicio, las ciclinas G1 como las G2 desaparecen de la célula hasta queno vuelve a sus fases correspondientes. En el punto de inicio también actúan proteínas que se denominan de forma distinta entre las

especies (tabla 3).En esta fase el tamaño celular y la talla determinada es la condición indispensable para superar el inicio; así pues, las células que eneste punto poseen un tamaño pequeño tomarán más tiempo en pasar este control, mientras aquellas que son muy grandes superaranG1 más rápido de lo normal.Los factores ambientales regulan el paso por el inicio, pues una deficiencia en nutrientes y factores de transcripción reduce laproducción de ciclinas respecto a su degradación, lo que disminuye su concentración. Como consecuencia, la célula no podráalcanzar el umbral para la unión ciclina-cdc2 y así desencadenar la destrucción de la cinasa de inicio.

La replicación del DNA requiere de un complejo enzimático como DNA polimerasas, ligasas, topoisomerasas, etc., para la síntesis denucleótidos, estructuras proteicas como las histonas, entre otras. Los genes de estas proteínas se transcriben en la fase Sexceptuando a las histonas que permanecen durante todo el ciclo. Aparentemente la activación de la transcripción de estas proteínasse debe a la acción de la cinasa de inicio. Sin embargo, no está muy claro su método de acción, pues no se conoce con certeza cómo

actúa la cinasa de inicio, si mediante fosforilación de los componentes reguladores para activar esta maquinaria o en la fase Sdesencadena la fabricación de ésta.

Las acciones principales del sistema de control del ciclo celular requieren cierto intervalo de tiempo para completarse. Si un punto decontrol desencadena la siguiente fase sin que haya terminado la anterior puede ocasionar en la célula daños fatales para ella y sushijas; en la mayoría de las células estos percances se evitan, ya que están controlados por una retroalimentación que detiene a lacélula hasta que no culmine la fase completamente.

Esta retroalimentación es un dispositivo de seguridad que se utiliza muy poco, pues en cada fase existe el tiempo necesario para queocurran todos los procesos; los controles por retroalimentación del ciclo celular aún no han sido especificados.

Control inhibidor de la proteína Rb y señales Ckis en Go/G1 y G1/S

Las señales de retroalimentación reprimen el sistema de control celular hasta que se hayan terminado algunas condicionesparticulares. Los cromosomas que no están adheridos al huso mitótico generan una señal de retroalimentación que bloquea lainactivación del FPM. Otro control por retroalimentación actúa en punto de entrada a la mitosis evitando que las células con su ADNdañado entren a mitosis antes reparar su alteración.





Tabla 3. Diferentes nombres que reciben la proteínas de control por especies antes de síntesis.

Transición G1/S Especie Cinasa Ciclina Levaduras Cdc2

Cdc28Puc 1CLN1-3

Rana mamíferos

Kdc2 (p33)Kdc4

Ciclinas A, C, D1, D2,D3, E

El retinoblastoma o proteína Rb(104) es abundante en el núcleo de las células de mamífero, la Rb es sustrato de los complejos kdc-ciclina D y kdc2-ciclina E. En estado de reposo o al principio de G1 el Rb actúa inactivando a la familia de los factores de trascripciónE2F. El complejo Rb-E2F asegura que la fase S no se inicie, porque genes cuyos productos son esenciales para las fases S y M de-penden de la actividad del E2F.

En G1 o Go, la Rb es fosforilada por las cinasas kdc4, 6-ciclina y permite la liberación de E2F. Por tanto, se libera la represiónmantenida por el complejo E2F-Rb y los genes requeridos para la fase S y M se activan. El Rb fosforilado se asocia principalmentecon la kdc4,6 ciclina D1, 2,3, aunque dentro del ciclo existen complejos Rb-kdc2, ciclinas E. La porción D1 tiene una estrecha relacióncon la Rb; la producción excesiva de D1 dispara la entrada temprana de la célula a la fase S; por lo tanto, en determinado momento

D1 puede inactivar la función de control de la proteína Rb y permitir a la célula el paso a S.

La proteína Rb es un camino hacia la inhibición del crecimiento celular y es el sitio por el cual las señales inhibitorias de crecimientomantienen a la célula en G1 o Go. Las señales inhibitorias se denominan ckis. Se han descrito y nombrado tres proteínas ckis deacuerdo con pesos moleculares: p16, p21 y p27. La p16 se liga específicamente con las cinasas kdc4 y kdc6 y no permite la adiciónde la ciclina D importante para la formación del complejo kdc/ciclina y, además, bloquea la actividad de la enzima cinasa para lafosforilación. Por otra parte, la p21 es un kdc inhibidor universal porque puede ligarse a todos los complejos de cinasas kdc. Sobre la

p27 se tiene poca información.La importancia de las proteínas ckis para el control del ciclo celular en vivo es indicada por la demostración que la p16 es supresorade tumores inhibiendo las cinasas pendientes de ciclinas durante las fases de G1 y S. Además, la vía cki hacia la proteína Rb enfatizael hecho de que los tumo-supresores son encontrados en todas las fases, incluyendo ckis, ciclinas D1,2 y Rb, Esta vía estáclaramente centrada controlar el crecimiento normal celular y es la clave para restringir una célula en fase Go.

p53: inhibidor de la progresión del ciclo celular

El ciclo celular se detiene en respuesta a un ADN alterado, el cual es mediado por la p53 que se acumula en la célula como respuestaal daño y detiene a la célula en fase G1 regulando la transcripción de una kdc inhibitoria la p21.





La proteína p21 actúa inhibiendo complejos kdc´s/ciclinas por lo que evita la fosforilación del Rb necesaria para que la célula penetreen la fase S, bloqueando la progresión del ciclo celular en presencia de un ADN dañado permitiendo la reparación de éste o actuandodirectamente frenando la replicación del ADN, ya que esta proteína se une a un antígeno (PCNA) que es una subunidad de la DNApolimerasa SIGMA(figura 6). Si la reparación del ADN es satisfactoria, la p53 activará un gen denominado mdm2 cuyo producto seuna e inhibe a la propia p53, levantando así el bloqueo del ciclo celular; por el contrario, si no se logra reparar la lesión del DNA, laproteínas p53 inducirá la activación de genes promotores de la apoptosis como lo son el bax y el IGF-BP3.

Figura 6. Inducción de la p21 por el DNA dañado.

Mitosis

Durante la mitosis la cromatina se condensa para formar cromosomas, la membrana nuclear se rompe, el citoesqueleto se organizapara formar el huso mitótico y los cromosomas se mueven a los polos opuestos. La segregación cromosómica es seguida usualmentepor la división celular (citoquinesis).1Muchos de los detalles de la mitosis varían de unos organismos a otros; sin embargo, la mitosis está dividida convencionalmente en

cuatro etapas -profase, metafase, anafase, telofase-, las cuales tienen como función realizar los movimientos necesarios para repartiequitativamente el material genético. La ruptura de la envoltura nuclear marca el inicio de la profase. Cada cromosoma está formadopor dos cromátides dispuestas muy juntas longitudinalmente y conectadas por el centrómero. Durante la metafase los pares decromátides de mueven dentro del huso y finalmente se dispone en el plano medial de la célula. En la anafase las cromátideshermanas se separan bruscamente y son conducidas a los polos opuestos del huso, mientras que el alargamiento del huso aumentala separación entre los polos, cada cromátida se transforma en un cromosoma separado. Al iniciarse la telofase, los cromosomasalcanzaron los polos opuestos y el huso comienza a dispersarse en dímeros de tubulina y finalmente se vuelven a formar envolturasnucleares alrededor de los conjuntos de cromosomas.

Profase. La transición de la fase G2 a la fase M del ciclo celular no es un proceso estrictamente definido, aunque se ha encontrado lapresencia de los genes supresores tumorales LATS1, que invitro, regulan negativamente la proliferación celular en este punto decontrol, modulando la actividad de la CDC2/ciclina A, pero el proceso es mucho más complejo y al parecer las quinasas p38 y Chk1

guardan una estrecha relación en el paso de G2 a M. La cromatina, que en la interfase se halla difusa, se condensa lentamenteformando cromosomas definidos, cuyo número exacto es característico de cada especie. Cada cromosoma se ha duplicado durante lafase S precedente y ahora consta de dos cromátides hermanas, cada una de las cuales contiene una secuencia de ADN específicaconocida como centrómero que permite la unión de las dos cromátides por proteínas específicas, necesarias para la correctasegregación del cromosoma. Hacia el final de la profase los microtúbulos citoplasmáticos que forman parte del citoesqueletointerfásico se despolimerizan y empieza a formarse el huso mitótico.

Prometafase. Se inicia con la desintegración de la envoltura nuclear que se rompe originado vesículas de membrana indiferenciablesde las vesículas de retículo endoplásmico. En este momento los microtúbulos del huso entran en la región nuclear. En cada





centrómero maduran complejos proteicos llamados cinetocoros que se unen a los microtúbulos del huso, que ejercen una tensiónsobre los cromosomas, los cuales se ven sometidos a movimientos agitados.

Metafase. Los microtúbulos del cinetocoro alinean los cromosomas en un plano ecuatorial de la célula. Cada cromosoma se mantieneen tensión en esta placa metafásica por los cinetocoros apareados y por sus microtúbulos asociados, los cuales están unidos a lospolos opuestos del huso (centríolos).

Anafase. Inicia cuando los cinetocoros apareados se separan, permitiendo que cada cromátida sea arrastrada lentamente hacia unpolo del huso.

Telofase. Los cromosomas hijos separados llegan a los poros y los microtúbulos del cinetocoro desaparecen. Los microtúbulospolares se alargan aún mas y se vuelve a formar la envoltura nuclear. La cromatina condensada se expande y los nucleolosreaparecen; la mitosis ha llegado a su fin.

Citocinesis. La citocinesis habitualmente es la división del citoplasma, pero no siempre acompaña a la mitosis. Durante la citocinesis ecitoplasma se divide mediante un proceso denominado segmentación, el cual es normalmente dirigido por el huso mitótico, que es unareorganización de los microtúbulos del citoesqueleto y es quien determina dónde y cuándo ocurre. La partición en dos células hijas seda gracias a movimientos contráctiles producidos por los filamentos de actina y miosina presentes en el momento de la citocinesis.





TIPOS DE METABOLISMO

Los organismos no se diferencian en la manera de procurarse compuestos inorgánicos del medio, todos los obtienen de una maneradirecta. En cambio, si se van a diferenciar encómo van a obtener las sustancias orgánicas.Ciertos organismos las obtienen a partir de

sustancias inorgánicas, como el CO2, H2O,NO3

-, PO4-3, etc. A estos organismos se les

llama autótrofos.

Otros son incapaces de elaborar loscompuestos orgánicos a partir de compuestosinorgánicos y deben obtenerlos del medio, sonlos organismos heterótrofos.Los organismos además de materialesnecesitan también energía. Cuando la fuente

de energía es la luz, el organismo recibe elnombre de fotosintético. Cuando la energía laobtienen a partir de sustancias químicas, tantoorgánicas como inorgánicas, los llamaremos quimiosintéticos.

LAS ENZIMAS.

CONCEPTO DE CATÁLISIS

Las enzimas son proteínas o asociaciones de proteínas y otras moléculas orgánicas o inorgánicas que actúan catalizando losprocesos químicos que se dan en los seres vivos. Esto es, actúan facilitando las transformaciones químicas ya que aumentan

considerablemente la velocidad de las reacciones que catalizan y disminuyen al mismo tiempo la energía de activación que estasreacciones requieren.

Así, por ejemplo:

I) La descomposición del agua oxigenada (peróxido de hidrógeno) en agua y oxígeno, según la reacción:

2H 2 O2 →2H 2 O + O2

es una reacción que puede transcurrir espontáneamente pero es extraordinariamente lenta. En condiciones normales se

descomponen espontáneamente 100 000 moléculas cada 300 años por cada mol de H 2O2 (6,023*1023 moléculas).

Sin embargo, en presencia de una enzima que hay en nuestras células, la catalasa, el proceso se desarrolla con extraordinariarapidez (el burbujeo que se produce al echar agua oxigenada en una herida es debido a esto).

II) La reacción de desfosforilación de la glucosa:

Glucosa-6-P + H 2 O Glucosa + Pi

Fig. 2 Energía de activación necesaria para que A se transforme

en B.





es exergónica, pero se necesitan 292,6 kJ/mol para romper el enlace fosfoéster. Esto significa que para poder obtener 305,14 kJ/mode glucosa, deberemos suministrar primero 292,6 kJ/mol (rendimiento neto 12,54 kJ/mol de glucosa).

Esta energía (292,6 kJ) recibe el nombre de energía de activación (EA). En presencia de su enzima, este proceso necesita unaenergía de activación muchísimo menor.

Las enzimas, como catalizadores que son, no modifican la constante de equilibrio y tampoco se transforman recuperándoseintactas al final del proceso. La rapidez de actuación de las enzimas y el hecho de que se recuperen intactas para poder actuar denuevo es la razón de que se necesiten en pequeñísimas cantidades.

ESPECIFICIDAD DE LAS ENZIMAS

Es de destacar que las enzimas son específicas. Esto es, una enzima puede actuar sobre un substrato o un grupo de substratosrelacionados (especificidad de substrato) pero no sobre otros; por ejemplo:la sacarasa, que hidroliza la sacarosa. Otras enzimas, sinembargo, tienen especificidad de acción al realizar una acción determinada pero sobre múltiples substratos; por ejemplo: las lipasasque hidrolizan los enlaces éster en los lípidos. Debido a esta especificidad de las enzimas existen en la célula miles de enzimas

diferentes.

La especificidad de las enzimas ha llevado a comparar a éstas con llaves y a los substratos con cerraduras (modelo de lallave y la cerradura).

CONSTITUCIÓN QUÍMICA DE LAS ENZIMA Y MODO DE ACTUACIÓN

En el pasado las enzimas se conocían con el nombre de fermentos, porque los primeros enzimas estudiados fueron losfermentos de las levaduras y de las bacterias. En la actualidad el término fermento se aplica únicamente a las enzimas que

las bacterias, hongos y levaduras vierten al exterior para realizar determinadas trasformaciones: las fermentaciones.

Las enzimas son, en general, prótidos. Algunas son proteínas en sentido estricto. Otras poseen una parte protéica y una parte noprotéica, ambas están más o menos ligadas químicamente. La conformación espacial de la parte proteica es la responsable de lafunción que realiza la enzima. Para ello la sustancia o sustancias que van a reaccionar y transformarse se unen a la enzima en unazona que llamaremos centro activo y son las interacciones químicas entre los restos de los aminoácidos presentes en el centroactivo y el substrato o los substratos las responsables de la transformación; ya que estas interacciones producen reordenamientos delos electrones que debilitan ciertos enlaces y favorecen la formación de otros desencadenando la transformación química.

La parte protéica es también y por las mismas razones la que determina la especificidad de la enzima. Así, la sacarasa actúasobre la sacarosa por ser esta la única molécula que se adapta al centro activo.





Fig. 3. 1) Esquema de la estructura de una enzima. 2) Esquema de la transformación de un substrato por la actuación de unaenzima.

Muchas enzimas precisan para su actuación la presencia de otras sustancias no protéicas: loscofactores. Químicamente son sustancias muy variadas. En algunos casos se trata de simples iones, cationes en particular, como eCu++ o el Zn++. En otros, son sustancias orgánicas mucho más complejas, en cuyo caso se llaman coenzimas. Muchas vitaminasson coenzimas o forman parte de coenzimas. Las coenzimas son imprescindibles para que la enzima actúe. Suelen, además, ser las

responsables de la actividad química de la enzima. Así, muchas reacciones de oxidación precisan del NAD+, que es el que capta loselectrones y sin su presencia la enzima no puede actuar. Otro ejemplo lo tenemos en las reacciones que necesitan energía en las queactúa el ATP.Por último, indicar que las enzimasse nombran añadiendo laterminación asa, bien al nombre delsubstrato sobre el que actúan(sacarasa), al tipo de actuación querealizan (hidrolasas), o ambos (ADN

polimerasa).

SUSTANCIAS QUE SE PRECISANEN LAS REACCIONESENZIMÁTICAS

i) Sustancias que actúan comovectores en las reacciones en lasque hay transferencias deenergía.

Estas sustancias actúan captando

energía en aquellos procesosquímicos en los que se produce y cediéndola en los que se necesita. En general, se trata de nucleótido o derivados de nucleó-tidos Así, por ejemplo:ATP (adenosina-5'-trifosfato): Adenina-Ribosa-P-P-P.ADP (adenosina-5'-difosfato): Adenina-Ribosa-P-PLa hidrólisis del enlace entre los dos últimos fosfatos en el ATP según la reacción:ATP+H2O →ADP+ Pi genera energía (7 kcal/mol). El proceso inverso es capaz de almacenar energía (7 kcal/mol). De





esta forma la energía es transportada de aquellos procesos donde se produce a aquellos en losque se necesita.

ADP+ Pi→ATP+H2O

ii) Coenzimas que intervienen en las reacciones en las que hay transferencias de electrones

Estas moléculas, en su estado oxidado, captan electrones de aquellas sustancias que se oxidan, reduciéndose, y los ceden a aquellasque se reducen, oxidándose. De estas forma, los electrones son transportados de unas moléculas a otras.

NAD+ / NADH (Nicotinamín adenín dinucleótido en forma oxidada y reducida,respectivamente). Se trata de un dinucleótido formado por:

Nicotinamida-Ribosa-P-P-Ribosa-Adenina. NADP+ /NADPH (Nicotinamín adenín dinucleótido fosfato, en forma oxidada y reducida,

respectivamente). Similar NAD+ pero con un grupo fosfato más esterificando el HO- delcarbono 2 de la ribosa unida a la adenina.

FAD/FADH2 (Flavín adenín dinucleótido, en forma oxidada y reducida, respectivamente). Similar al NAD pero cont

iii) Coenzimas que intervienen comotransportadores de grupos acilo.

Coenzima A. Coenzima de estructura compleja yde la que forma parte el ácido pantoténico (otra delas vitaminas del complejo B2).

FACTORES QUE CONDICIONAN LA ACTIVIDAD

ENZIMÁTICA

Las enzimas, como sustancias proteicas que son,van a ver condicionada su actuación pordeterminados factores físicos y químicos. Algunosde estos factores son:

La temperatura. Como toda reacción química, lasreacciones catalizadas enzimáticamente siguen laregla de Van t'Hoff. Según la cual, por cada 10ºC

de aumento de temperatura, la velocidad de lareacción se duplica. No obstante, las enzimas tienen una temperatura óptima. En el hombre, y en los animales homeotermos como ehombre, esta temperatura óptima coincide con la temperatura normal del organismo.Las enzimas, como proteínas que son, se desnaturalizan a elevadas temperaturas.

El pH, que al influir sobre las cargas eléctricas de la enzima, podrá alterar la estructura del centro activo y, por lo tanto, también influirásobre la actividad enzimática.





Los inhibidores.

Determinadas sustancias van a poder actuar sobre las enzimas disminuyendo o impidiendo su actuación. Estas sustancias son losinhibidores. Se trata de moléculas que se unen a la enzima impidiendo que ésta actúe sobre el substrato. Si el inhibidor se une en elcentro activo de la enzima diremos que se trata de una inhibición competitiva. Si el inhibidor se une en un punto diferente: el centroregulador , pero con su actuación modifica el centro activo e impide también la unión de la enzima y el substrato, diremos que se trata

de una inhibición no competitiva. Es frecuente que el inhibidor sea el propio producto de la reacción enzimática o el producto finade una cadena de reacciones. Cuando se trata del producto final, recibe el nombre de retrorregulacióno feed-back .

Los activadores. Son sustancias que se unen a la enzima, que se encuentra inactiva, cambiando su estructura espacial activándola.

METABOLISMO: OBTENCIÓN DE ENERGÍA





OBTENCIÓN DE ENERGÍA Y SÍNTESIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS EN LA CÉLULA VEGETAL: LA FOTOSÍNTESIS

LA FOTOSÍNTESIS:

La fotosíntesis puede definirse como un proceso anabólico que se produce en los cloroplastos y en el que la energía luminosa estransformada en energía química que posteriormente será empleada para la fabricación de sustancias orgánicas a partir de sustanciasinorgánicas.

PROCESOS QUE SE DAN EN LA FOTOSÍNTESIS

En la fotosíntesis se van a producir los siguientes procesos:

Captación por las clorofilas y otros pigmentos fotosintéticos de la energía luminosa y su transformación en energía químicacontenida en el ATP.

Obtención de electrones a partir del agua. Estos electrones, convenientemente activados por la energía luminosa servirán para reducir NADP+.

Incorporación del carbono del CO2 a las cadenas carbonadas. Reducción por el NADPH del carbono incorporado y síntesis de compuestos orgánicos. Reducción de otras sustancias inorgánicas (nitratos, nitritos, sulfatos, etc.) para su incorporación a las cadenas carbonadas.

ECUACIÓN GLOBAL DE LA FOTOSÍNTESIS

La fotosíntesis, su conjunto, es un proceso redox en el que el CO2 y otras sustancias inorgánicas son reducidas e incorporadas en lascadenas carbonada. Aunque son muchas las sustancias orgánicas que se forman en el cloroplasto, la que se forma en mayor cantidad

es la glucosa. Por esto la ecuación global de la síntesis de glucosa en el cloroplasto se considera como la ecuaciónglobal de la fotosíntesis.

CONSECUENCIAS DE LA FOTOSÍNTESIS

Las consecuencias de la fotosíntesis son de gran importancia para los seres vivos. Así:





1º Todos o casi todos los seres vivos dependen, directa o indirectamente, de la fotosíntesis para la obtención desustancias orgánicas y energía.

2º A partir de la fotosíntesis se obtiene O2. Este oxígeno, formado por los seres vivos, transformó la primitivaatmósfera de la Tierra e hizo posible la existencia de los organismos heterótrofos aeróbicos.

FASES DE LA FOTOSÍNTESIS

La fotosíntesis es un proceso muy complejo. Seha demostrado que sólo una parte requiereenergía luminosa, a esta parte se le llama faseluminosa; mientras que la síntesis de compuestosorgánicos no necesita la luz de una maneradirecta, es la fase oscura. Es de destacar que la faseoscura, a pesar de su nombre, se realiza tambiéndurante el día, pues precisa el ATP y el NADPH quese obtienen en la fase luminosa.

FASE LUMINOSA

Se realiza en los tilacoides. Consiste en un transportede electrones, desencadenado por fotones, consíntesis de ATP y de NADPH+H+.ESTRUCTURA DE LOS TILACOIDES Los tilacoidestienen una estructura

de doble capa o membrana unitaria. Integradas en la doble capa lipídica se

encuentran determinadas sustancias de gran importancia en el proceso de lafotosíntesis y en particular los fotosistemas I y II.Cada fotosistema contiene carotenos, clorofilas y proteínas. Estas moléculas

captan la energía luminosa y la ceden a las moléculas vecinas presentes encada fotosistema hasta que llega a una molécula de clorofila-a denominadamolécula diana.

Los diferentes carotenos y clorofilas captan fotones de unas determinadaslongitudes de onda. De esta manera, el conjunto de las moléculas defotosistema captan gran parte de la energía luminosa incidente, sólo

determinadas longitudes de onda son reflejadas y, por lo tanto, no utilizadas.En particular, son reflejadas las radiaciones correspondientes a las longitudesde onda del verde y el amarillo.

En el fotosistema II (Phs II) la molécula diana es la clorofila aII que tiene sumáximo de absorción a 680 nm (P 680). Cuando esta clorofila capta un fotónpasa a un estado excitado (P 680) y su potencial redox se hace más negativohaciéndose muy reductora. En el fotosistema I (Phs I), la molécula diana es la





clorofila a, cuyo máximo de absorción se encuentra a 700 nm (P 700), que también se excita (P 700) al captar un fotón.

A) LA FOTOFOSFORILACIÓN ACÍCLICA

La luz va a desencadenarun transporte de

electrones a través de lostilacoides con producciónde NADPH y ATP. Loselectrones seránaportados por el agua. Enesta vía se puedendistinguir los siguientesprocesos:

I.

Reducción del NADP+: Las clorofila-a II y otras sustancias de los fotosistema II captan fotones (luz) pasando a un estadomás energético (excitado). Esta energía les va a permitir establecer una cadena de electrones a través de los tilacoides en laque intervienen diferentes transportadores y en particular el fotosistema I que también es activado por la luz. El aceptor finade estos electrones es el NADP+ que se reduce a NADPH+H+ al captar los dos electrones y dos protones del medio.

II) Fotolisis del agua y producción de oxígeno: Los electrones transportados a través de los tilacoides y captados por el NADP+proceden de laclorofila aII (P680)Esta molécula va

recuperarlossacándolos deagua. De esta

manera podráiniciar una nuevacadena deelectrones. En esteproceso lamolécula de aguase descompone(lisis) en 2H+, 2e- yun átomo de

oxígeno. El átomo de oxígeno, unido a un segundo átomo para formar una molécula de O2, es eliminado al exterior. El oxígeno

producido durante el día por las plantas se origina en este proceso.

H 2O 2 H+ + 2e- +1/2 O2





III) Obtención de energía. Síntesis de ATP (Teoríaquimiosmótica): El transporte de electrones a travésde los fotosistemas produce un bombeo de protonesdesde el estroma hacia el interior del tilacoide, pueslos fotosistemas actúan como transportadores activosde protones extrayendo la energía necesaria para ello

del propio transporte de electrones. La lisis del aguatambién genera protones (H+). Todos estos protonesse acumulan en el espacio intratilacoide, pues lamembrana es impermeable a estos iones y no puedensalir. El exceso de protones genera un aumento de laacidez en el interior del tilacoide y, por lo tanto, ungradiente electroquímico, exceso protones y decargas positivas. Los protones sólo pueden salir através de unas moléculas de los tilacoides: lasATPasa. Las ATPasas actúan como canal de

protones y de esta manera cataliza la síntesis de ATP. Es la salida de protones (H+) a través de las ATPasas la que actúa comoenergía impulsora para la síntesis de ATP.

IV) Sustancias que se obtienen en la fotofosforilación acíclica : Teniendo en cuenta únicamente los productos iniciales y finales, ypodemos hacerlo porque el resto de las sustancias se recuperan en su estado inicial, en la fotofosforilación acíclica se obtienen 1NADPH+H+ y 1 ATP. A su vez, la fotolisis del agua va a generar también un átomo de oxígeno.

B) LA FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA

En esta vía la luz va a desencadenar un transporte de electrones a través de los tilacoides con producción sólo de ATP. Mecanismo

El proceso parte de la excitación de la molécula diana del fotosistema I (clorofila-aI, P680) por la luz. Ahora bien, en este caso, loselectones no irán al NADP+ sino que seguirán un proceso cíclico pasando por una serie de transportadores para volver a la clorofilaaI. En cada vuelta se sintetiza una molécula de ATP de la misma forma que en la fotofosforilación acíclica.





Sustancias que se obtienen en la fotofosforilación cíclica: En esta via se produce una síntesis continua de ATP y no se requierenotros substratos que el ADP y el Pi y, naturalmente, luz (fotones). Es de destacar que no es necesaria la fotolisis del agua pues loselectrones no son cedidos al NADP+ y que, por lo tanto, no se produce oxígeno.

C) REGULACIÓN DE AMBOS PROCESOS

En el cloroplasto se emplean ambos procesos indistintamente en todo momento. El que se emplee uno más que otro va a dependerde las necesidades de la célula o lo que en realidad es lo mismo, de la presencia o ausencia de los substratos y de los productos quese generan. Así, si consume mucho NADPH+H+ en la síntesis de sustancias orgánicas, habrá mucho NADP+, y será éste el quecapte los electrones produciéndose la fotofosforilación acíclica. Si en el tilacoide hay mucho ADP y Pi y no hay NADP+, entonces sedará la fotofosforilación cíclica. Será el consumo porla planta de ATP y de NADPH+H+, o, lo que es lomismo, la existencia de los substratos ADP y NADP+,la que determinará uno u otro proceso.

LA FOTOFOSFORILACIÓN: EXPLICACIÓNDETALLADA

NOTA: Se expone aquí una explicación más endetalle de ciertos aspectos de la fotofosforilacióncon el objetivo de que pueda contribuir a unamejor comprensión en aquellos alumnos queestén más interesados.

A) FOTOFOSFORILACIÓN

ACÍCLICA. Al captar un fotón, la clorofila a II(P680) se excita y aumenta su

poder reductor. Esto le va a permitir reducir, porcesión de 2e-, a la plastoquinoma (PQ). Estosdos electrones son cedidos sucesivamente aotros transportadores: Citocromo b6 (Cit b6),citocromo f (Citf) y plastocianina (PC), hastallegar a la clorofila aI (P 700) del fotosistema I.Se establece en consecuencia una cadena deelectrones. La clorofila aI (P 700) recibe la

energía de otro fotón y se origina una nuevacadena redox: P 700, Ferredoxina (Fd),Reductasa (Rd); en la que el aceptor final es elNADP+ que se reduce a NADPH+H+ al captarlos dos electrones y dos protones del medio.

B) LA FOTOFOSFORILACIÓN CÍCLICA: El proceso parte de la excitación de la molécula





2) La RuBP reacciona con el CO2 obteniéndose dos moléculas de ácido-3-fosfoglicérico (PGA). Estecompuesto contiene una cadena carbonada de tres átomos de carbono (C3). El proceso podríaesquematizarse: 1 (C5) + CO2 → 2 (C3)

3) El PGA (C3) es reducido por el NADPH+H+ a gliceraldehído-3-fosfato (PGAL), la reacción necesitatambién ATP.

Como consecuencia de los procesos 1, 2 y 3, estudiados hasta ahora, vemos que, partiendo de una molécula con cincoátomos de carbono (C5) y por adición de una molécula de CO2, se obtienen dos moléculas con tres átomos de carbono cadauna (C3). C5 + C1 2 C3

Esto es, el CO2 ha sido integrado en una molécula orgánica, una triosa, el llamado gliceraldehído-3-fosfato(PGAL). Si en lugar de una molécula de RuP, partimos de seis moléculas, obtendremos 12 moléculas de PGAL.

4) De cada 12 moléculas de PGAL obtenidas, 2 se unen dando una molécula de glucosa (C6H12O6) y el resto entra en uncomplejo proceso que tiene como objetivo la recuperación de las 6 moléculas de RuP (C5). Éstas, una vez recuperadasentran de nuevo en el Ciclo de Calvin.

5)

La glucosa así obtenida es polimerizada formándose almidón.





REDUCCIÓN DE NITRATOS Y SULFATOS

Las plantas pueden obtener el nitrógeno que necesitan a partir de los nitratos (NO3 - ), por ejemplo. Los nitratos son absorbidos por lasraíces y transportados por los vasos leñosos hacia el parénquima clorofílico de la hoja.

En los nitratos el nitrógeno se encuentra en una forma muy oxidada, mientras que en los compuestos orgánicos se encuentra enforma reducida. La reducción es realizada por el NADPH y la energía necesaria para el proceso es aportada por el ATP. Ambos productos, como ya sabemos, se obtienen en grandes cantidades en la fase luminosa de la fotosíntesis. Esta es la razón por la que lareducción del nitrógeno y su incorporación en las sustancias orgánicas se realiza en los cloroplastos, y no porque el proceso necesitede una manera directa la luz.

Por último, indicar que el azufre es absorbido por las raíces en forma de sulfatos (SO4 -2 ) u otras sales y, una vez reducido, esincorporado en el aminoácido cisteína y de aquí en otras sustancias orgánicas.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FOTOSÍNTESIS

El rendimiento de la fotosíntesis puede ser medido fácilmente por la cantidad de CO2 absorbidopor la planta. En él influyen:

La Intensidad y longitud de onda de la luz . Ya sabemos que los carotenos y las clorofilas de los fotosistemas absorben fotones deuna determinada longitud de onda. Por lo tanto, si se ilumina una planta con luz de longitud de onda inadecuada o con una intensidadinsuficiente, la fotosíntesis no podrá realizarse y la planta no se desarrollará.





Temperatura. La fotosíntesis, como todo proceso químico, está influenciada por la temperatura, ya que por cada 10o C de aumentode temperatura, la velocidad se duplica. Ahora bien, un aumento excesivo de la temperatura desnaturalizará las enzimas que catalizanel proceso y se producirá un descenso del rendimiento fotosintético.

Concentración de CO2. Si el resto de los factores se mantiene constante, un aumento en la cantidad de CO2 existente aumentará erendimiento de la fotosíntesis hasta llegar a un valor máximo por encima del cual se estabilizará.

Concentración de O2. Un aumento en la concentración de O2 inhibe la fotosíntesis, ya que el oxígeno inhibe la enzima que incorporael CO2 a la Ribulosa-1-5-difosfato (RuBP).6.2)





QUIMIOSÍNTESIS

LA QUIMIOSÍNTESIS COMO OTRA FORMA DE NUTRICIÓN AUTÓTROFA

La quimiosíntesis es también una forma de nutrición autótrofa en la que, a diferencia de lafotosíntesis, la energía y los electrones (ATP y NADPH) necesarios para los procesos de anabolismo van a proceder de la oxidaciónde sustancias inorgánicas.

Se trata de una forma de nutrición típicamente bacteriana. En la que las diferentes especies se han especializado en la oxidación dedistintos substratos. Según el substrato oxidado tendremos:





a) Bacterias nitrosificantes. Como las del género nitrosomonas que obtienen energía en forma de ATP y coenzimas reducidas pomedio de la oxidación de sales amoniacales (NH4 +

presentes en los excrementosy en la materia orgánica en descomposición.b) Bacterias nitrificantes. Como las del género nitrobacteque oxidan los nitritos (NO2 -) a nitratos (NO3 _).

Entre las bacterias nitrosificantes y las nitrificantes, enitrógeno incorporado en los compuestos orgánicoses transformado de nuevo en nitrógeno contenido encompuestos inorgánicos que van a parar a los suelos o lasaguas. De aquí podrá ser absorbido nuevamente por lasplantas, cerrándose así el ciclo del nitrógeno en lanaturaleza.

c) Bacterias del azufre incoloras. Estas bacterias oxidanlos sulfuros a azufre y el azufre a sulfitos o a sulfatos.d) Bacterias del hierro. Oxidan los compuestos ferrosos aférricos. Estos dos últimos tipos de bacterias medran

sobre todo, en los yacimientos de azufre y hierro deorigen volcánico y en particular en los llamados humerosnegros.Es de destacar, que las bacterias quimiosintéticas son los únicos seres vivos no dependientes, ni directa ni indirectamente, de la luzsolar.

OBTENCIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE COMPUESTOS ORGÁNICOS EN LAS CÉLULAS VEGETALES Y ANIMALES:

RESPIRACIÓN CELULAR Y FERMENTACIONES

VÍAS DEL CATABOLISMO

Los organismos autótrofos fijan la energía solar en forma deenergía química contenida en loscompuestos orgánicos, glucosa, en particular.

Esta energía, convenientemente liberada, será utilizadaposteriormente por las partes de la plantaque no tienen cloroplastos, como suele ser el caso de las raíces ytallos no verdes, o por toda laplanta cuando falta la energía solar. Es también esta energía laque permite la vida de los organismos heterótrofos. Larespiración celular y las fermentaciones son las víascatabólicas más corrientes para la obtención de la energía

contenida en las sustancias orgánicas. Ambas vías, no obstante,tienen una primera fase común: la glucolisis.

ECUACIÓN GLOBAL DE LA RESPIRACIÓN CELULAR

La respiración celular considerada en su conjunto puederesumirse en la siguiente ecuación global:

C6 H12O6 + 6 O2 →6 C O2 + 6 H2 O





LA GLUCOLISIS

La definiremos como el conjunto de reacciones que degradan la glucosa (C6) transformándola en dos moléculas de ácido pirúvico(PYR) (C3). Este conjunto de reacciones se realiza en el hialoplasma de la célula. Es un proceso anaerobio, que no necesita oxígenoy en el que por cada molécula de glucosa (GLU) se obtienen 2ATP y 2NADH+H+.

Consta de las siguientes reacciones:

1a. Fosforilación de la glucosa (GLU) por el ATP, formándose glucosa-6-fosfato (G-6-P).

2a. La glucosa-6-fosfato (G-6-P) se isomeriza6 a fructosa-6-fosfato (F-6-P).

3a. Nueva fosforilación por el ATP de la fructosa-6-fosfato (F-6-P) que pasa a fructosa 1,6-difosfato (F-1,6-P).

4a. Rotura de la molécula de F-1,6-P en dos moléculas: el aldehído-3-fosfoglicérico (PGAL) y la dihidroxiacetona fosfato (DHA)

Ambas sustancias son isómeras y se transforman espontáneamente una en otra (el equilibrio se alcanza cuando hay un 95%de DHA y un 5% PGAL).Es de destacar que, hasta ahora, no sólo no se ha producido energía, sino que, incluso, se han consumidodos moléculas de ATP.

5a. El aldehído-3-fosfoglicérico (PGAL) se oxida por el NAD+; al mismo tiempo se produce una fosforilación en la que intervieneel fosfato inorgánico7 (H-P), formándose ácido 1,3-difosfoglicérico(1,3-DPGA). Cada molécula de glucosa (GLU) dará dos moléculas de 1,3-DPGA y dos de NADH+H+.

6a. Fosforilación del ADP por el 1,3-DPGA, formándose ATP y ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA). Es el primer ATP formado; dos, s

tenemos en cuenta la rotura de la cadena carbonada de la glucosa en dos cadenas de tres átomos de carbono. Hasta estemomento el balance energético es nulo: dos ATP consumidos, dos obtenidos.

7a. El ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) se transforma en ácido pirúvico (PYR), sintetizándose una nueva molécula de ATP (dos pocada molécula de glucosa).

CARACTERÍSTICAS Y SIGNIFICADO BIOLÓGICO DE LA GLUCOLISIS

Se trata de una degradación parcial de la glucosa. Es un proceso anaerobio que permite la obtención de energía a partir de los compuestos orgánicos en ausencia de oxígeno.

La cantidad de energía obtenida por mol de glucosa es escasa (2 ATP). La glucolisis fue, probablemente, uno de los primeros mecanismos para la obtención de energía a partir de sustancias

orgánicas en la primitiva atmósfera sin oxígeno de la Tierra.





VÍAS DEL CATABOLISMO DEL PIRÚVICO

Para evitar que la glucolisis se detenga por un exceso de ácido pirúvico (PYR) y NADH+H+ o por falta de NAD+, se necesitan otrasvías que eliminen los productos obtenidos y recuperen los substratos imprescindibles. Esto va a poder realizarse de dos maneras:

1. Respiración aerobia (catabolismo aerobio). Cuando hay oxígeno, el pirúvico es degradado completamente obteniéndose

dióxido de carbono (CO2). El NADH+H+ y otras coenzimas reductoras obtenidas son oxidadas y los electrones transportadoshacia el oxígeno (O2), recuperándose el NAD+ y obteniéndose H2O. Este proceso se realiza en los eucariotas en lasmitocondrias.

2. Fermentación (Catabolismo anaeróbico). Cuando no hay oxígeno el ácido pirúvico se transforma de diferentes manerassin degradarse por completo a CO2 y H2O. Este proceso tiene como objetivo la recuperación del NAD+. En los eucariotas serealiza en el hialoplasma.





EL CATABOLISMO AERÓBICO (RESPIRACIÓN AEROBIA)

DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL ÁCIDO PIRÚVICO

En condiciones aeróbicas el ácido pirúvico (PYR) obtenido en la glucolisis yen otros procesos catabólicos atraviesa la membrana de la mitocondria y en la matrizmitocondrial va a sufrir un proceso químico que tiene dos vertientes:

a) Descarboxilación. El ácido pirúvico (PYR) va a perder el grupo CO2correspondiente al primer carbono, el carbono que tiene la funciónácido.

b) Oxidación. Al perderse el primer carbono, el segundo pasa de teneun grupo cetona a tener un grupo aldehído. Este grupo se oxidará a grupoácido (ácido acético) por acción del NAD+. En el proceso interviene una

sustancia, la coenzima-A(HS-CoA

que se unirá al ácidoacético para dar acetil

coenzima A (ACA)Como vemos, se van aformar 2 nuevasmoléculas de NADH+H+por cada molécula de

glucosa (GLU) y, al mismo tiempo, se originan las primeras 2 moléculasde CO2.

EL CICLO DEL CÍTRICO O CICLO DE KREBS

Krebs (1938), denominó ciclo del ácido cítrico (citrato), y hoy seconoce también como ciclo de Krebs, a la ruta metabólica a través de la cual el ácido acético unido a la coenzima-A va a completarsu oxidación en la matriz mitocondrial.

Este ciclo, no sólo va a ser la última etapa de la degradación de los azucares, otros compuestos orgánicos (los ácidos grasos ydeterminados aminoácidos) van a ser también degradados a acetil-CoA (ACA) e integrados en el ciclo de Krebs. El ciclo de Krebses, por lo tanto, la vía fundamental para la degradación de la mayoría de los compuestos orgánicos y para la obtención coenzimasreductoras. Es la vía más importante para el catabolismo de las sustancias orgánicas.

INCORPORACIÓN DE OTRAS SUSTANCIAS AL CICLO DE KREBS

Al ciclo de Krebs van a incorporarse, además de las sustancias resultantes del catabolismo de los glúcidos, otras que provienen de

catabolismo de otras las sustancias orgánicas. Así, por ejemplo, los ácidos grasos se degradan en las mitocondrias transformándoseen acetil-CoA. Este proceso se realiza en la matriz mitocondrial y recibe el nombre de ß-oxidación.

MECANISMO DEL CICLO DE KREBS

El ciclo de Krebs, como todo proceso cíclico, no tiene más principio o fin que el que nosotros queramos ponerle. Es alimentadocontinuamente en substratos y continuamente genera productos. Las sustancias intermediarias se recuperan para ser de nuevo





integradas en él. Como una rueda girando sin fin, sólo se detendrá si faltan los substratos o si, por exceso de productos, se inhiben lasenzimas que participan en él.

Las diferentes reacciones que se producen en este proceso son:

1. Condensación de la acetil-CoA ( ACA ) con el ácido oxalacético ( OXA ) para formar el ácido cítrico ( CIT ). En este procesose recupera la CoA-SH .

2. Transformación del ácido cítrico ( CIT ) en su isómero, el ácido isocítrico ( ISO ).3. Descarboxilación oxidativa del ácido isocítrico ( ISO ) que se transforma en -etoglutárico ( - KG ) con la formación de CO2 y

NADH+H+.4. Descarboxilación oxidativa del ácido -cetoglutárico ( -KG ) formándose CO2, NADH+H+ y 1 GTP (ATP). El -cetoglutárico

( -KG ) se transforma en ácido succínico ( SUC ). Vemos, que en estos momentos, ya se ha completado la degradación deCH3-CO-CoA ( ACA ) con la formación de 2 moléculas de CO2 , cuatro por cada molécula de glucosa. Tenemos ya las 6moléculas de CO2 que puede originar la glucosa. Las reacciones que vienen a continuación van a servir para recuperar ecido oxalacético ( OXA ).

5. Oxidación del ácido succínico ( SUC ) a ácido fumárico ( FUM ). Esta oxidación se realiza por la formación de un dobleenlace. Los electrones son transferidos al FAD que pasa a FADH2 .

6. Adición de agua al doble enlace formándose el ácido málico ( MAL ).7. Oxidación por el NAD+ del alcohol que se transforma en el ácido oxalacético ( OXA ), completándose el ciclo.

Como podemos ver, la cantidad de ATP obtenida en la Glucolisis y en el Ciclo de Krebs es más bien escasa.Por el contrario, se van a obtener grandes cantidades de coenzimas reducidas: NADH+H+ y FADH2 que serán oxidadas en la cadenarespiratoria.

EL CICLO DE KREBS O DEL CÍTRICO





LA CADENA RESPIRATORIA. CONCEPTO Y OBJETIVOS

Concepto: Consiste en un transporte de electrones desde las coenzimas reducidas, NADH+H+ o FADH2, hasta el oxígeno. Estetransporte se realiza en la membrana de las crestas mitocondriales.

Objetivos: Es en este proceso donde se obtendrá la mayor parte de la energía contenida en la glucosa y otros compuestos orgánicosque será almacenada en forma de ATP. Al mismo tiempo se recuperarán las coenzimas transportadoras de electrones en su formaoxidada, lo que permitirá la oxidación de nuevas moléculas de glucosa y de otras sustancias orgánicas. Como producto de desecho seobtendrá agua.

ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA DE LAS CRESTAS MITOCONDRIALES

Las crestas mitocondriales tienen la estructura de toda membrana biológica. Empotradas en la doble capa lipídica se encuentrandiferentes sustancias transportadoras de electrones. Estas están asociadas formando tres grandes complejos:

Complejo I (NADH deshidrogenasa). Complejo II (Citocromo b-c1).

Complejo III (Citocromo oxidasa).

Existen, además, otros transportadores: la coenzima Q (Co-Q), el citocromo c (cit c) y la enzima ATP sintetasa.

LA CADENA RESPIRATORIA:

MECANISMO

En la membrana de las crestas mitocondriales se va a realizar un transporte de electrones desde el NADH o el FADH2 hasta eloxígeno, tal y como se indica en la figura. Este transporte de electrones va a generar un transporte de protones por parte de loscomplejos I, II y III desde la matriz hacia el espacio intermembrana. Cada complejo será capaz de bombear dos protones. La salida deestos protones a través de las ATPasas servirá para sintetizar ATP, 1 ATP por cada dos protones, de forma similar a como sucedía en

los cloroplastos. El NADH es capaz de reducir al Complejo I por lo que se obtendrán 3ATP por cada molécula de NADH. El FADH2 nopuede reducir al complejo I y cede sus dos electrones a la Co-Q (coenzima Q). Esta es la razón por la que el FADH2 sólo genera 2ATP.

Los electrones serán cedidos finalmente al oxígeno que junto con dos protones del medio darán una molécula de H2O.2H+ + 1/2O2 + 2e- ¾¾® H2O





LAS FERMENTACIONES ANAERÓBICAS

La oxidación del NADH+H+ y del FADH2 en la cadena respiratoria tiene como aceptor final de los electrones al oxígeno. De estamanera, el NAD+ se recupera y la glucolisis y el ciclo de Krebs pueden mantenerse.Si no hay oxígeno, el NADH+H+ y el FADH2 se acumulan ylos procesos de obtención de energía se interrumpen. Enestas condiciones, condiciones anaerobias o de falta deoxígeno, ciertos microorganismos y, por ejemplo, nuestrascélulas musculares, recuperan las coenzimas oxidadas pordiversas vías metabólicas conocidas bajo el nombre defermentaciones anaeróbicas.

Es más, para algunos microorganismos, los anaerobios

estrictos, las fermentaciones son su única fuente deenergía. Se les llama anaerobios estrictos porque no pueden vivir en un medio que contenga oxígeno ya que ésteles es letal. Otros, los anaerobios facultativos, utilizanestas vías como mecanismo de emergencia durante los

períodos en los que no disponen de oxígeno.

En las fermentaciones, la glucosa no se degrada totalmentea CO2 y H2O, sino que se produce una degradaciónincompleta de la cadena carbonada.

Según el producto obtenido, tendremos las siguientes

fermentaciones:

a) Fermentación láctica.b) Fermentación alcohólica.

A) FERMENTACIÓN LÁCTICA

La realizan las bacterias del yogur y, por ejemplo, las célulasmusculares, cuando no reciben un aporte suficiente de





oxígeno, lo que sucede cuando se lleva a cabo un ejercicio físico intenso.En la fermentación láctica, el ácido pirúvico es reducido a ácido láctico por medio del NADH+H+. De esta manera el NAD+ se recuperay pueden ser degradadas nuevas moléculas de la glucosa.

ECUACIÓN GLOBAL DE LA FERMENTACIÓN LÁCTICA

La fermentación láctica puede resumirse en la siguiente ecuación global:

C6 H12O6 →2 C3 H6O3 más 2 de ATP

B) FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

En la fermentación alcohólica el ácido pirúvico es transformado en alcohol etílico (etanol). Esta fermentación la realizan, por ejemplolas levaduras del género Saccharomyces. Se trata de un procesode gran importancia industrial que, dependiendo del tipode levadura, dará lugar a una gran variedad de bebidasalcohólicas: cerveza, vino, sidra, etc. En la fabricación del panse le añade a la masa una cierta cantidad de levadura, lafermentación del almidón de la harina hará

que el pan sea más esponjoso por las burbujas de CO2 Eneste último caso el alcohol producido desaparece duranteel proceso de cocción. La fermentación alcohólica tiene emismo objetivo que la fermentación láctica: la recuperación deNAD+ en condiciones anaeróbicas. En la fermentaciónalcohólica el ac. pirúvico se descarboxila trasformándose enacetaldehído yeste es reducido por el NADH a alcohol etílico.

ECUACIÓN GLOBAL DE LA FERMENTACIÓNALCOHÓLICA

La fermentación alcohólica puede resumirse en la siguienteecuación global:

C6 H12O6 ¾¾¾® 2 C2 H6O + 2 C O2 más 2 de ATP





3.5. Respiración

RESPIRACIÓN CELULAR

El proceso por el cual las células degradan las moléculas de alimento para obtener energía recibe el nombre de RESPIRACIÓN

CELULAR.

La respiración celular es una reacción exergónica, donde parte de la energía contenida en las moléculas de alimento es utilizada pola célula para sintetizar ATP. Decimos parte de la energía porque no toda es utilizada, sino que una parte se pierde.

Aproximadamente el 40% de la energía libre emitida por la oxidación de la glucosa se conserva en forma de ATP. Cerca del 75% de laenergía de la nafta se pierde como calor de un auto; solo el 25% se convierte en formas útiles de energía. La célula es mucho máseficiente.La respiración celular es una combustión biológica y puede compararse con la combustión de carbón, bencina, leña. En ambos casosmoléculas ricas en energía son degradadas a moléculas más sencillas con la consiguiente liberación de energía.

Tanto la respiración como la combustión son reacciones exergónicas.

Sin embargo existen importantes diferencias entre ambos procesos.

En primer lugar la combustión es un fenómeno incontrolado en el que todos los enlaces químicos se rompen al mismo tiempoy liberan la energía en forma súbita; por el contrarío la respiración es la degradación del alimento con la liberación paulatinade energía. Este control está ejercido por enzimas específicas.En segundo lugar la combustión produce calor y algo de luz. Este proceso transforma energía química en calórica y luminosaEn cambio la energía liberada durante la respiración es utilizada fundamentalmente para la formación de nuevos enlacesquímicos (ATP).

La respiración celular puede ser considerada como una serie de reacciones de óxido-reducción en las cuales las moléculas

combustibles son paulatinamente oxidadas y degradadas liberando energía. Los protones perdidos por el alimento son captados porcoenzímas.

La respiración ocurre en distintas estructuras celulares. La primera de ellas es la glucólisis que ocurre en el citoplasma. La segundaetapa dependerá de la presencia o ausencia de O2 en el medio, determinando en el primer caso la respiración aeróbica (ocurre enlas mitocondrias), y en el segundo caso la respiración anaeróbica o fermentación (ocurre en el citoplasma).

GLUCÓLISIS

La glucólisis, lisis o escisión de la glucosa, tiene lugar en una serie de nueve reacciones, cada una catalizada por una enzimaespecífica, hasta formar dos moléculas de ácido pirúvico, con la producción concomitante de ATP. La ganancia neta es de dosmoléculas de ATP, y dos de NADH por cada molécula de glucosa.

Las reacciones de la glucólisis se realizan en el citoplasma, como ya adelantáramos y pueden darse en condiciones anaerobias; esdecir en ausencia de oxígeno.

Los primeros cuatro pasos de la glucólisis sirven para fosforilar (incorporar fosfatos) a la glucosa y convertirla en dos moléculas decompuesto de 3 carbonos gliceraldehído fosfato (PGAL). En estas reacciones se invierten dos moléculas de ATP a fin de activar lamolécula de glucosa y prepararla para su ruptura.

Paso 1





inhibe la actividad de la enzima y así cesa la producción de ATP y se conserva glucosa. Al agotar la célula la provisión de ATP, laenzima se desinhibe y se reanuda la degradación de la glucosa. Este es uno de los puntos principales del control de la producción deATP.

Paso 4

La fructosa 1,6 -difosfato se divide luego en dos azúcares de 3 carbonos

gliceraldehído 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. La dihidroxiacetona

fosfato es convertida enzimáticamente (isomerasa) en gliceraldehído

fósfato. Todos los pasos siguientes deben contarse dos veces para tener

en cuenta el destino de una molécula de glucosa.

Debemos recordar que hasta el momento no se ha obtenido ninguna

energía biológicamente útil. En reacciones subsecuentes, la célularecupera parte de la energía contenida en el PGAL.

Paso 5

Las moléculas de PGAL se oxidan es decir, se eliminan átomos de hidrógeno con sus

electrones, y el NAD+ se reduce a NADH. Esta es la primera reacción de la cual la célula

cosecha energía. El producto de esta reacción es el fosfoglicerato. Este compuesto

reacciona con un fosfato inorgánico (Pi) para formar 1,3 difosfoglicerato. El grupo fosfato

recién incorporado se encuentra unido por medio de un enlace de alta energía.





RESUMEN DE LA GLUCÓLISIS

Fig. 9.1 - Resumen de las dos etapas de la glucólisis. En la primeraetapa se utilizan 2 ATP y la segunda produce 4 ATP y 2 NADH. Otros

azúcares, además de la glucosa, como la manosa, galactosa y laspentosas, así como el glucógeno y el almidón, pueden ingresar en laglucólisis una vez convertidos en glucosa 6-fosfato.

ECUACIÓN DE LA GLUCÓLISIS

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH+ 2 H+ + 2 H2O

VÍAS ANAERÓBICAS

El ácido pirúvico puede tomar por una de varias vías. Dos son anaeróbicas (sin oxígeno) y se denomina FERMENTACIÓNALCOHÓLICA y FERMENTACIÓN LÁCTICA.

A la falta de oxígeno, el ácido pirúvico puede convertirse en etanol (alcohol etílico) o ácido láctico según el tipo de célula. Por ejemplo

las células de las levaduras pueden crecer con oxígeno o sin él. Al extraer jugos azucarados de las uvas y al almacenarlos en formaanaerobia, las células de las levaduras convierten el jugo de la fruta en vino al convertir la glucosa en etanol. Cuando el azúcar seagota las levaduras dejan de fermentar y en este punto la concentración de alcohol está entre un 12 y un 17 % según sea la variedadde la uva y la época en que fue cosechada.

La formación de alcohol a partir del azúcar se llama fermentación.

Fermentación alcohólica





El ácido pirúvico formado en la glucólisis se convierte anaeróbicamente en etanol. En el primer caso se libera dióxido de carbono, y enel segundo se oxida el NADH y se reduce a acetaldehído.

Otras células, como por ejemplo los glóbulos rojos, las células musculares y algunos microorganismos transforman el ácido Pirúvicoen ácido láctico.

En el caso de las células musculares, la fermentación láctica, se produce como resultado de ejercicios extenuantes durante los cualesel aporte de oxígeno no alcanza a cubrir las necesidades del metabolismo celular. La acumulación del ácido láctico en estas células

produce la sensación de cansancio muscular que muchas veces acompaña a esos ejercicios.

Fermentación láctica

En esta reacción el NADH se oxida y el ácido pirúvico se reduce transformándose en ácido láctico.

La fermentación sea ésta alcohólica o láctica ocurre en el citoplasma.

ESQUEMA BIOQUÍMICO DEL PROCESO DE FERMENTACIÓN

A) Alcohólica : 2 ácido pirúvico + 2 NADH 2 etanol + 2 CO2 + 2 NAD+

B) Láctica : 2 ácido pirúvico + 2 NADH 2 ácido láctico + 2 NAD+

La finalidad de la fermentación es regenerar el NAD+ permitiendo que la glucólisis continúe y produzca una provisión pequeña perovital de ATP para el organismo.

RESPIRACIÓN AERÓBICA





Fig.9.3- Microfotografía electrónica de una mitocondria. Se observan las invaginaciones de la membrana interna que forman lascaracterísticas crestas, que identifican esta organela

Como puede apreciase en la fig. 9.2 (c), las crestas mitocondriales aparecen cubiertas por partículas en forma de hongo, que tienenun tallo más fino que las unen a la membrana. Estas estructuras son las llamadas partículas F1 y representan una porción de laATPasa especial que interviene en el acoplamiento entre la oxidación y la fosforilación. Las partículas F1 se encuentran en lamembrana interna, del lado relacionado con la matriz; le confieren una asimetría característica relacionada con la función de laATPasa (este punto se verá más detalladamente al referirnos a la hipótesis quimiosmótica).

Para concluir, es importante destacar que el ciclo de Krebs se lleva a cabo en la matriz mitocondrial; mientras que el transporte deelectrones y la fosforilación oxidativa se producen a nivel de las crestas mitocondriales.

Ingreso al CICLO DE KREBS

El ácido pirúvico sale del citoplasma, donde se produce mediante glucólisis y atraviesa las membranas externa e interna de lasmitocondrias. Antes de ingresar al Ciclo de Krebs, el ácido pirúvico, de 3 carbonos, se oxida. Los átomos de carbono y oxígeno delgrupo carboxilo se eliminan como dióxido de carbono (descarboxilación oxidativa) y queda un grupo acetilo, de dos carbonos. En estareacción exergónica, el hidrógeno del carboxilo reduce a una molécula de NAD+ a NADH.

Ahora la molécula original de glucosa se ha oxidado a dos moléculas de CO2, y dos grupos acetilos y, además se formaron 4moléculas de NADH (2 en la glucólisis y 2 en la oxidación del ácido pirúvico).





Cada grupo acetilo es aceptado por un compuesto llamado coenzima A dando un compuesto llamado acetilcoenzima A (acetil CoA)Esta reacción es el eslabón entre la glucólisis y el ciclo de Krebs.

CICLO DE KREBS

El ciclo de Krebs también conocido como ciclo del ácido cítrico es la vía común final de oxidación del ácido pirúvico, ácidos grasos y

las cadenas de carbono de los aminoácidos.La primera reacción del ciclo ocurre cuando la coenzima A transfiere su grupo acetilo (de 2 carbonos) al compuesto de 4 carbonos(ácido oxalacético) para producir un compuesto de 6 carbonos (ácido cítrico).

El ácido cítrico inicia una serie de pasos durante los cuales la molécula original se reordena y continúa oxidándose, en consecuenciase reducen otras moléculas: de NAD+ a NADH y de FAD+ a FADH2. Además ocurren dos carboxilaciones y como resultado de estaserie de reacciones vuelve a obtenerse una molécula inicial de 4 carbonos el ácido oxalacético.

El proceso completo puede describirse como un ciclo de oxalacético a oxalacético, donde dos átomos de carbono se adicionan comoacetilo y dos átomos de carbono (pero no los mismos) se pierden como CO2.





Cabe aclarar que los tres primeros aceptores reciben el H+ y el electrón conjuntamente. En cambio, a partir del cuarto aceptor, sólo setransportan electrones, y los H+ quedan en solución.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

El flujo de electrones está íntimamente acoplado al proceso de fosforilación, y no ocurre a menos que también pueda verificarse este

último. Esto, en un sentido, impide el desperdicio ya que los electrones no fluyen a menos que exista la posibilidad de formación defosfatos ricos en energía. Si el flujo de electrones no estuviera acoplado a la fosforilación, no habría formación de ATP y la energía delos electrones se degradaría en forma de calor.

Puesto que la fosforilación del ADP para formar ATP se encuentra acoplada a la oxidación de los componentes de la cadena detransporte de electrones, este proceso recibe el nombre de fosforilación oxidativa.

En tres transiciones de la cadena de transporte de electrones se producen caídas importantes en la cantidad de energía potencial queretienen los electrones, de modo que se libera una cantidad relativamente grande de energía libre en cada uno de estos tres pasosformándose ATP.

Fig.9.5- Diagrama de la cadena respiratoria y de la fosforilación oxidativa asociada

HIPÓTESIS QUIMIOSMÓTICA

Durante mucho tiempo se intentó explicar la naturaleza del enlace entre la cadena respiratoria y el sistema de fosforilación. En 1961,Mitchell propuso la hipótesis quimiosmótica, que es la que actualmente se acepta en general.

Esta hipótesis ha sido apoyada por las evidencias experimentales encontradas en distintos laboratorios, lo que le valió a Mitchell epremio Nobel en 1978.





La misma propone que el transporte de electrones y la síntesis de ATP están acoplados por un gradiente protónico a través de lamembrana mitocondrial.

Según este modelo, el transporte de electrones paso a paso, desde el NADH o el FADH2 hasta el oxígeno a través de lostransportadores de electrones, da por resultado el bombeo de protones a través de la membrana mitocondrial interna hacia el espacioentre las membranas mitocondriales interna y externa.

Este proceso genera un potencial de membrana a través de la membrana mitocondrial interna, ya que el medio que ocupa el espaciointermembranoso se carga positivamente.

La diferencia en concentración de protones entre la matriz y el espacio intermembranoso representa energía potencial, resultado enparte de la diferencia de pH y en parte de la diferencia en la carga eléctrica de los lados de la membrana. Cuando los protones puedenfluir de regreso a la matriz, descendiendo por el gradiente protónico, se libera energía utilizable en la síntesis de ATP a partir de ADP yPi.

Los protones regresan a la matriz a través de conductos especiales situados en la membrana interna. Estos conductos están dadospor un gran complejo enzimático, llamado ATP SINTETASA. Este complejo consta de dos proteínas: F0 y F1.

Las partículas F0 están incluidas en la membrana mitocondrial interna y la atraviesan desde afuera hacia adentro. Se presume queposeen un conducto o poro interior que permite el paso de los protones. Las partículas F1 (que ya habíamos mencionado, al describirla estructura mitocondrial) son proteínas globulares grandes consistentes en nueve subunidades polipeptídicas unidas a las partículasF0 en el lado de la membrana que linda con la matriz. Se comprobó que propulsa la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi. Conformelos protones descienden a lo largo del gradiente de energía, dicha energía utiliza para sintetizar ATP. De esta manera, el gradienteprotónico que existe a través de la membrana mitocondrial interna acopla la fosforilación con la oxidación.

Fig. 9.6 - Esquema comparativo de la quimiósmosis en la mitocondria y el cloroplasto. Observe el bombeo de protones desde la matrizmitocondrial al espacio intermembrana (sombreado). El ATP se forma del lado de la membrana que mira a la matriz, por la difusión delos H+ a través del complejo ATPsintetasa. En el cloroplasto, a través de la membrana tilacoidal se bombean protones desde elestroma al compartimiento tilacoidal (sombreado). Como los H+ atraviesan la membrana a través de la ATPsintetasa, la fosforilacióndel ADP tiene lugar del lado de la membrana que mira al estroma.





Cuadro 9.2 - RESUMEN DE LA GLUCÓLISIS Y DE LA RESPIRACIÓNEn el citoplasma:

Glucólisis

2 ATP 2 ATP

En las mitocondrias:

De la glucólisis:

De la respiración

Ácido pirúvico acetilCoA:

Ciclo de Krebs:

2 NADH 6 ATP

1 NADH 3 ATP (x 2)

1 ATP

3 NADH 9 ATP (x 2)

1 FADH2 2 ATP

6 ATP*

6 ATP

24 ATP

Rendimiento total de ATP 36 a 38 ATP

* en algunas células el costo energético de transportar los electrones desde el NADH formadoen la glucólisis a través de la membrana mitocondrial interna deprime el rendimiento neto deestos 2 NADH a sólo 4 ATP

Fig. 9.7 - Resumen de la Glucólisis y de la Respiración. La glucosa se degrada a ácido pirúvico, en el citoplasma con un rendimientode 2 moléculas de ATP y la reducción (flechas entrecortadas) de dos moléculas de NAD + a NADH. El ácido pirúvico se oxida a acetiCoA y se reduce una molécula de NAD+, esta reacción y la siguiente ocurren 2 veces por cada molécula de glucosa (pasaje de e - conlínea entera). En el ciclo de Krebs, el grupo acetilo se oxida y los aceptores de electrones NAD+ y FAD se reducen. El NADH y FADHtransfieren sus electrones a la serie de transportadores de la cadena de transporte de electrones. Al circular los electrones hacianiveles energéticos menores se liberan cantidades relativamente grandes de energía libre . Esta liberación transporta protones através de la membrana mitocondrial interna estableciendo el gradiente de protones que propulsa la síntesis de ATP a partir del ADP.





OTRAS VÍAS CATABÓLICAS

Sí la mayoría de los organismos no se alimentan directamente de glucosa. ¿cómo obtienen energía a partir de las grasas oproteínas?. La respuesta está en que el ciclo de Krebs es un gran nudo del metabolismo energético. Otras sustancias alimenticias sondegradadas y convertidas en moléculas capaces de ingresar al ciclo.

Las grasas se desdoblan en sus componentes glicerol y ácidos grasos. Estos últimos son fraccionados en fragmentos de doscarbonos e introducidos en el ciclo de Krebs como acetil CoA.

Las proteínas se degradan a aminoácidos, estos son desaminados (se les eliminan los grupos amino) y el esqueleto de carbonos seconvierte en un grupo acetilo, ingresando al ciclo de Krebs. Los grupos amino si no se utilizan, se excretan como urea u otrosdesechos nitrogenados

.

Fig.9.8- Vías principales del catabolismo y anabolismo en la célula, Se observan las tres etapas, la primera tiene lugar en el lumen detubo digestivo, la segunsa en el citosol y la última en las mitocondrias.

RESUMEN

En el afán de analizar detenidamente cada paso de las reacciones metabólicas de fotosíntesis y respiración, perdemos la noción deestos procesos globalmente.

En la fotosíntesis, la energía lumínica se convierte en química y se fija carbono en compuestos orgánicos.

Los fotosintetizadores o autótrofos elaboran hidratos de carbono a partir de CO2 y agua y liberan O2 a la atmósfera. Son estosorganismos los que mantienen estables las concentraciones de CO2, y O2 atmosféricos.





En la respiración aeróbica los compuestos orgánicos son degradados a CO2 y H2O con la concomitante producción de energíaquímica bajo la forma de ATP.

FOTOSÍNTESIS

En la primera etapa o etapa lumínica, la energía del sol es captada por la clorofila y otros pigmentos accesorios, provocando una serie

de reacciones de óxido--reducción que propulsan la síntesis de ATP; la reducción de la coenzima NADP a NADPH y la oxidación demoléculas de H2O liberando O2 al medio. En la siguiente etapa o ciclo de Calvin el NADPH y el ATP (productos de la anterior etapa) seutilizan para reducir al CO2 que el vegeta1 toma del medio, a carbono orgánico. Si falta alguno de estos sustratos, el proceso sedetiene.

Son necesarias 6 vueltas al c1clo para formar una molécula de glucosa partir de 2 moléculas de PGAL.

Este compuesto también se puede utilizar como material inicial para elaborar otros compuestos orgánicos que la célula necesita.

RESPIRACIÓN

La oxidación de la glucosa es una fuente principal de energía en la mayoría de las células.

La primera fase de este proceso es la glucólisis, en la cual la molécula de glucosa (6C), se escinde en dos moléculas de ácido pirúvico(3C). Este paso produce un rendimiento neto de 2 moléculas de ATP y dos moléculas de NADH.

La segunda fase de la degradación de la glucosa es la respiración aeróbica que ocurre en tres etapas: ciclo de Krebs, transporte deelectrones y fosforilación oxidativa.

En ausencia deO2 el ácido pirúvico de la glucólisis se convierte en etanol o ácido láctico mediante fermentación. En el curso de larespiración las moléculas de ácido pirúvico se fraccionan en grupos acetilos; los cuales ingresan al ciclo de Krebs. En este ciclo losgrupos acetilos se oxidan por completo a CO2, se reducen cuatro aceptores de electrones (tres NAD+ y Un FAD) y se forma GTP.

La etapa final de la respiración es el transporte de electrones y la fosforilación oxídativa (se dan acopladamente). En este pasointervienen una cadena de transportadores de electrones que transportan los electrones de alta energía aceptados por el NADH y elFADH2 viajando cuesta abajo hacia el oxígeno.

En tres puntos de su descenso por toda la cadena transportadora, se liberan grandes cantidades de energía que propulsan el bombeode protones hacía el espacio intermembranoso de la mitocondria. Esto crea un gradiente electroquímico a través de la membranainterna. Cuando los protones atraviesan el complejo ATP sintetasa hacia la matriz, la energía liberada se utiliza para sintetizarmoléculas de ATP. Este mecanismo por el cual se cumple la fosforilación oxidativa se conoce como hipótesis quimiosmótica.





Fig.9.9- Resumen del metabolismo de los glúcidos en células eucariotas





3.6. IRRITABILIDAD

Células excitables

En todas las células existe una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana. En células no excitables existe igualmente unpotencial negativo en el interior, pero suele suponer menos diferencia, y es bastante estable.Las células excitables son aquellas cuya función se basa en el cambio de potencial. Estas células son capaces de generar potencialesde acción, es decir, cambios de potencial en su membrana. Hablamos en el caso contrario de potencial de reposo. Éstas son lascélulas nerviosas, musculares y ciertos tipos de células secretoras. En este tema hablaremos sobre todo de células nerviosas, y lasinapsis neuromuscular.

Potencial de acción

Un tejido excitable para que abandone el potencial de reposo y su potencial pase a ser de acción necesita recibir un estímulo. Paramayor regulación, el potencial de acción se produce si el estímulo tiene cierta intensidad (valor umbral). Si no tenemos esaintensidad, hay un ligero cambio de potencial, pero no un potencial de acción Los tipos de estímulos que pueden recibir los tejidosexcitables son:

Químicos. Se trata de moléculas ligando que regulan el canal iónico neuronal, modificando la permeabilidad de la membranaa algunos iones. La mayoría de estas sustancias son neurotransmisores, aunque en el músculo liso también hay hormonascapaces de modificar el potencial

Eléctricos. Requieren un flujo iónico entre células mediante canales. También se puede dar de forma exógena medianteelectrodos, desfibriladores, etc…

Mecánicos. Los receptores se denominan mecanoreceptores. Detectan presiones, cambios espaciales, fricciones, etc…

Los potenciales de acción son requeridos para la transmisión del impulso nervioso independientemente del tipo de entrada.

Potencial de acción neuronal

Un cambio de potencial se debe a un cambio de permeabilidad iónica, es decir, en la región del axón en la que el potencial esinverso al habitual, se ha debido producir una corriente iónica de cargas positivas. Suele ser un cambio brusco y transitorio (laduración es de milisegundos, o incluso inferior). Implica una retroalimentación positiva muy breve.

El sodio es el ión encargado de la electrogénesis del potencial. El sodio se encuentra en el intersticio en contra de gradiente y cuandose abren los canales iónicos se produce la entrada masiva de sodio, cambiando la proporción de cargas entre el citosol y elintersticio.

El potencial de acción es un potencial de membrana de una célula excitable que podemos dividir en cuatro etapas:

1. Fase de reposo. Existe un potencial debido a gradientes, etc… En reposo el interior es más negativo que el exterior. 2. Fase de despolarización. Comienza a entrar sodio por canales regulados por neurotransmisor hasta llegar a un potencia

más positivo en el interior que en el exterior. El sodio entra por gradiente electroquímico.

3.

Fase de repolarización. Los canales de sodio se cierran con muchísima rapidez hasta llegar a tener el interior negativofrente al exterior.

4. Fase de hiperpolarización. Se trata de un estado en el que el interior es más negativo de lo que debería hasta llegar a larepolarización definitiva.





Dentro de estas 4 etapas distinguimos los siguientes puntos:

A) Estimulo umbral. Se trata de un estimulo que alcanza un valor umbral. Si el estímulo alcanza un potencial umbral,se desencadena el potencial de acción. Hasta que llega al valor umbral, el estimulo crea un ligero potencial, perocuando llega a cierto valor de electropositividad, se desencadena el potencial de acción de manera muy rápida,dándose el siguiente paso.

B) Potencial invertido. La célula llega a invertir sus cargas. En algunos casos la célula se despolariza a 0, pero lonormal es que llegue a ser un electropositiva. El sodio es el ión responsable de ese cambio de potencial. El potenciainvertido suele estar por debajo de +61 mV (ENa) pero suele ser positivo.

C) Postpotenciales. El potencial de la membrana se acerca al potencial de equilibrio del potasio.

Cuando termina el potencial de membrana se regresa al estado de VR de -90 mV. Primero el estímulo hace que se alcance unpotencial umbral, que es un valor concreto distinto en cada neurona, y se trata del potencial que requieran los canales iónicos parasu apertura.

Los canales iónicos necesitan un valor de voltaje concreto para su apertura, lo que se conoce como valor umbral, si no se alcanza, seda el llamado potencial electrotónico ó sinérgico, que se extingue antes de generar un potencial de acción.

La entrada del propio sodio al llegar al valor umbral, produce que vaya entrando cada vez más sodio mediante un sistema deretroalimentación positiva hasta llegar a la fase de despolarización. Una vez llegado un momento se inactiva el poro de entrada desodio impidiendo completamente la entrada de sodio.

Los canales de sodio tienen dos compuertas: una de activación y una de inactivación. El poro activo tiene las dos compuertas abiertas. En estado de reposo la compuerta exterior esta cerrada En estado inactivación la compuerta interior se cierra, tras dejar entrar sodio.





Para que se produzca la despolarización es preciso que salgan cargas positivas. Esto se consigue gracias a canales de potasioregulados por voltaje que no están abiertos en reposo. En la fase de repolarización comienza a salir sodio debido a la Na+-K+-ATPasa y a salir potasio por gradiente debido a los canales de potasio, es decir, se produce la salida masiva de cargas positivas.

Cuando se cierran los canales de potasio regulados por voltaje se reestablecen las condiciones iniciales de potencial, en torno a los -90 mV. Cuando comienza el potencial de acción en el canal de sodio se abre la compuerta de activación de forma muy rápida y causaque el sodio difunda a muchísima velocidad, la compuerta de inactivación se cierra al llegar a cierto potencial (+35 mV), y se cierra demanera más lenta de forma que el valor de potencial asciende aun más en torno al ENa.

Los canales de potasio se activan lentamente al llegar a un potencial de +35 mV (el mismo al que se cierran los canales de sodio) y secierran al llegar a los -90 mV. El cierre lento provoca la fase de hiperpolarización, con potenciales más negativos de los habituales.

Esto se ha estudiado por dos métodos:

Pinzamiento de parche de membrana. Permite apreciar las corrientes iónicas y la conductancia al ión sodio y laconductancia al ión potasio.Bloqueantes de canales. Los canales iónicos se pueden bloquear por determinadas sustancias. Si bloqueamos el canal depotasio con tetraetilamonio nos muestra una gráfica de la conductancia de sodio.

Si bloqueamos el canal de sodio con tetrodotoxina (localizada en órganos de algunos peces) o bien anestésicos locales como la provocaína podemos medir la conductancia del potasio.

La tetrodotoxina es un poderoso agente neurotóxico localizado en los órganos del fugu, un pez muy apreciado en la gastronomía japonesa que contiene esta neurotoxina que paraliza los músculos hasta que el afectado muere por asfixia.No existe antídoto para la tetrodotoxina, solo se brinda apoyo respiratorio hasta que cesen sus efectos.

La recuperación de la neurona tras el potencial de acción supone la reactivación de los canales de voltaje, y el restablecimiento iónico

mediante la Na+-K+-ATPasa.En el potencial de acción hablamos de periodos refractarios como aquellos momentos en los que en cierta porción de la membranano puede darse una nueva despolarización. Si una neurona esta despolarizada no puede despolarizarse más, y hablamos que esrefractaria a otro estimulo, es decir, no responde a el.

Hablamos de periodo refractario absoluto y relativo:

Absoluto. Ningún estimulo puede llegar a desencadenar el potencial de acción.Relativo. Es más difícil llegar al potencial de acción, y se requiere un estímulo con mayor valor umbral que el quenormalmente se necesitaría.

El periodo refractario absoluto se debe a todo el tiempo que los canales de sodio están abiertos y algunos empiezan a inactivarse,

pero es absoluto, debido a que todos los canales de sodio tienen que inactivarse y luego cerrarse para que vuelva a producirse unnuevo potencial de acción. Así garantizamos la intensidad del potencial de acción de una membrana, pero si llega un nuevo estimulocuando los canales de sodio están cerrados para restablecer la normalidad, no se desencadenará un nuevo potencial.

El periodo refractario relativo ofrece dificultad a la aparición de un potencial de acción debido a que pueden quedar canales desodio activos sin que se haya establecido del todo el periodo de reposo. Aunque existe poca diferencia, es más difícil establecer unpotencial de acción debido a que quedan canales de sodio que aún permanecen en ciclo. El periodo refractario relativo finaliza alllegar a la fase de hiperpolarización.





3.7. Excreción

La concentración de un tóxico distribuido se puede disminuir por excreción. Todas las secrecionescorporales pueden excretarcompuestos químicos, pero las tres principales vías son la orina, lasheces y el aire exhalado. La excreción de xenobióticos utiliza losmismos mecanismos que tiene elorganismo para excretar los desechos metabólicos endógenos.

Orina

Los riñones son los órganos más importantes en la excreción ya que directamente remueven lassubstancias tóxicas de la sangre.Para que una substancia sea eliminada por la orina es necesarioque sea soluble en agua. Los compuestos liposolubles se tienen quebiotransformar en hidrosolublespara poder ser excretados por esta vía.La excreción está fuertemente influenciada por las propiedadesfísicoquímicas del excretando, las bases débiles pueden excretarse en la orina debido al pH de la orina, aunque los riñonestambiénpueden excretar activamente aniones y cationes orgánicos.

Heces

Las heces son otra ruta importante de excreción. Consisten de la ingesta no absorbida, secreciones biliares, secreciones intestinales ymicroflora. Cualquier dosis oral que no se absorbe se elimina conlas heces y no existe la absorción 100%. La flora microbiana puedebioacumular compuestos y comoparte de ella es eliminada en las heces, esto contribuye a la excreción de tóxicos. Hay tambiénunapequeña contribución de la difusión pasiva de algunos compuestos de la sangre al intestino.

Bilis

La bilis contribuye a la excreción de los metabolitos formados en el hígado. Las substancias conpeso molecular mayor a 350 seexcretan más fácilmente por esta vía. Algunos iones metálicos,ácidos orgánicos, bases orgánicas y compuestos neutros se puedentransferir a la bilis por medio detransporte activo. Una vez formada la bilis pasa al intestino para ser excretada con las heces.Lamicroflora intestinal biotransforma algunos compuestos que van en la bilis y los metabolitosresultantes pueden ser reabsorbidos yllevados de nuevo al hígado. Este fenómeno, como semencionó anteriormente, se conoce como el ciclo enterohepático y es la causade que se incrementela permanencia del tóxico en el organismo.

Aire exhalado

Así como los compuestos pueden ser inhalados también pueden ser exhalados. Para que esto ocurrael compuesto debe de ser ungas a temperatura corporal. Los líquidos volátiles están en equilibriocon su fase vapor en los alvéolos. La transferencia de la sangre alos pulmones tiene lugar pordifusión pasiva y es inversamente proporcional a su velocidad de absorción. La baja solubilidad ensangrepermite una excreción rápida y está limitada por la perfusión (flujo de sangre), mientras quepara los compuestos con una altasolubilidad en sangre su excreción está limitada por la ventilación.

Otros mecanismos

Las secreciones corporales, como la leche, el sudor y la saliva constituyen vías menores de excreción de tóxicos. La leche constituyeuna vía importante en el caso de transporte de tóxicos de la madre lactante al hijo y del ganado lechero al hombre. El pH ligeramente

menor de la leche, con respecto al plasma, facilita la excreción de algunos compuestos básicos pero también se pueden excretaralgunos compuestos liposolubles y iones similares al calcio. En el sudor y en la saliva se pueden excretar compuestos liposolubles nodisociados que en el caso del sudor, pueden causar dermatitis y en caso de la saliva se vuelven a deglutir y empieza de nuevo el ciclode absorción, distribución, metabolismo y excreción. Los xenobióticos presentes en el SNC se pueden remover vía el flujo de salidadel Líquido Cerebro-Espinal (LCE) y también se cuenta con mecanismos de transporte activo para remover compuestos ionizados delLCE.





Metabolismo

Anteriormente se mencionó que, para reducir la posibilidad de que una substancia produzca una respuesta tóxica, se debe dedisminuir la cantidad de substancia que llega en forma activa al tejido blanco, así como disminuir el tiempo de permanencia de ésta ensu sitio de acción.

Lo anterior se logra disminuyendo la difusibilidad del tóxico e incrementando la velocidad de excreción, ambos fenómenos seproducen cuando se incrementa la polaridad del xenobiótico.

Los lípidos se difunden más rápidamente, así que al transformar el xenobiótico en un compuesto más polar se reduce la velocidad dedifusión, se aumenta su solubilidad en agua, y esto facilita la excreción en orina. Por ejemplo; la destoxificación del benceno, que tieneuna solubilidad de 1 g en1500 ml de agua, consiste en su oxidación a fenol, que es 100 veces más soluble en agua, y la posteriorsulfatación del fenol produciendo un compuesto que tiene una solubilidad en agua de 1gen 3 ml. El resultado de estas dos reaccioneses la producción de un compuesto que es 500 vecesmás soluble en el agua que el xenobiótico original y que, por lo tanto se excretamucho más fácilmente en orina.

Al conjunto de caminos metabólicos por medio de los cuales los tejidos incrementan la polaridad de un tóxico se le denominabiotransformación. Podemos decir que la biotransformación de un tóxico consiste fundamentalmente en convertir un xenobiótico nopolar en un compuesto soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para eliminar los tóxicosambientales.

Al igual que la absorción y distribución, dos procesos de transferencia, la biotransformación también se lleva a cabo utilizando losmecanismos existentes en los tejidos. Se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenosdeestructura química similar.

En algunos casos, la biotransformación resulta en la producción de un metabolito que es más tóxico que el compuesto original, alproceso se le denomina bioactivación . Si estos metabolitos se acumulan y vencen las defensas del organismo entonces pueden

producir un daño que se manifieste en una respuesta tóxica.

El estudio de las reacciones que constituyen la biotransformación es de gran importancia, porquenos permiten entender losmecanismos por medio de los cuales los tejidos se defienden de lostóxicos que logran penetrar y también cómo es que en algunasocasiones sucede lo contrario y dehecho se incrementa la toxicidad en el interior del cuerpo. Estas reacciones se agrupan endosconjuntos a los cuales se le denominan Biotransformación Fase I y Biotransformación FaseII.

.La Fase I biotransforma los xenobióticos convirtiéndolos en substratos de las enzimas de la Fase II, al mismo tiempo que los hacenmás hidrófilos. La Fase II son reacciones de conjugación en las cuales un metabolito con enlaces de alta energía sede un grupofuncional polar al xenobiótico, o subproducto de transformación por la Fase I. En el ejemplo de la destoxificación del benceno, laoxidación a fenol es una reacción de la Fase I y la sulfatación del fenol es una reacción de la Fase II.

Biotransformación Fase I

La Fase I es un conjunto de reacciones de oxidación que preparan a los tóxicos para que puedan transformarse por las reacciones dela Fase II (Figura 2.3.4.A). Esto lo logran transformando los grupos funcionales del xenobiótico en sitios que pueden llevar a caboreacciones de la Fase II, o bien introducen grupos nuevos que le dan esta característica.





Para hacer este trabajo las células cuentan con dos sistemas de enzimas, que tienen la función de introducir en el substrato un átomode oxígeno proveniente del oxígeno molecular (oxigenasas de función mixta). Estos dos sistemas son las amino-oxigenasas y losCitocromos P-450. Ambos sistemas se encuentran localizados en el retículo endoplásmico.

Las amino-monoxigenasas oxidan aminas y compuestos sulfurados.

Los Citocromos P-450 están formados por dos proteínas diferentes, una tiene función de reductasa y la otra es una hemoproteína conactividad de oxigenasa. La oxigenasa es una proteína, que en estado reducido y monoxicarbonada, presenta un pico de absorción a450 nm. Que es lo que le da el nombre a esta familia de enzimas).

El mecanismo de la reacción de la oxidación del xenobiótico catalizada por citocromo P-450, en términos generales es como sigue: (Ael xenobiótico entra a su sitio activo que se encuentra en la oxigenasa, (B) la reductasa transfiere un electrón al hierro hemáticoreduciéndolo del nivel (III) a(II), (C) la reducción abre el sitio activo del O2, (D) el O2 entra a su sitio activo y oxida al xenobiótico queestá en la superficie de la enzima transfiriéndole uno de los átomos de oxígeno.

Existen varios Citocromos P-450 que se diferencian en su especificidad, por ejemplo, el P-450 IIE oxida al etanol y el P-450 IA oxida aalfa-benzo-pireno.

Si la concentración de oxígeno en la célula es muy baja, entonces la reacción catalizada por el Citocromo P-450 es una reducción enla que el NADPH actúa como donador de iones hidruro. Las reacciones de reducción más comunes son la transformación denitroderivados aromáticos a aminas, la azoreducción de aminas primarias y la deshalogenación reductiva. La reducción puede dalugar a la formación de un radical libre más tóxico que el xenobiótico original, capaz de producir daños en el ADN. Estabiotransformación es entonces una bioactivación.

Las peroxidasas catalizan reacciones entre los xenobióticos y los peróxidos endógenos, permitiendo, al mismo tiempo, que la célulaoxide al xenobiótico y se deshaga de estos compuestos endógenos altamente tóxicos. El producto de esta reacción es un alcohol quepuede ser destoxificado por una alcohol deshidrogenasa.

Biotransformación Fase II

La Biotransformación Fase II, tal como se mencionó anteriormente, consiste en reacciones de conjugación, catalizadas por unconjunto de enzimas, la mayoría de ellas localizadas en el citosol. Las reacciones consisten en agregar un grupo polar de tamañorelativamente grande a los productos de las reacciones de la Fase I o a los xenobióticos originales que contienen los gruposfuncionales apropiados para ser substratos de las reacciones de conjugación. Los donadores de los grupos polares tienen que sercompuestos de alta energía, ya que las reacciones de conjugación no son termodinámicamente favorables.

El resultado que se logra con estas reacciones es un gran incremento de la solubilidad en agua del xenobiótico.

Glucuronidación

La reacción consiste en agregar un grupo glucuronil en un grupo hidroxilo, amino o sulfhidrilo del tóxico. La enzima que cataliza lareacción es la UDP glucuronil transferasa y el donador del grupo polar es el ácido UDP glucurónico. La enzima se encuentralocalizada en el retículo endoplásmico, a diferencia de las otras enzimas de la Fase II que se localizan en el citosol. Los compuestosglucuronidados son muy solubles en agua y aparecen en la orina y en la bilis. Existe un número muy grande de xenobióticos que sonsubstrato de esta enzima.

SulfataciónLa reacción consiste en la transferencia de un grupo sulfato de PAPS (3´-fosfoadenosil-5´-fosfosulfato) a un grupo hidroxilo o amino enel xenobiótico. La reacción es catalizada por sulfotransferasas, enzimas solubles localizadas en el citosol. El producto de la reacciónes un sulfato orgánico ionizado, muy soluble en agua que se excreta en la orina.





Aminoacidación

La reacción consiste en la formación de una unión peptídica entre el grupo amino de un aminoácido, normalmente glicina, y uncarboxilo en el xenobiótico. Obviamente para que esta reacción se pueda dar es indispensable que el xenobiótico tenga un grupocarboxilo. Estos conjugados son eliminados en la orina debido a que el sistema de transporte del riñón reconoce al aminoácido.

Glutationización

La glutationización consiste en la adición de glutatión (GSH), a través de su grupo sulfhidrilo (nucleofílico), con un carbón electrofílicodel xenobiótico. La reacción es catalizada por la glutatión-S-transferasa y el glutatión mismo es el cofactor de alta energía. El glutatiónes un tripéptido, Glu-Gli-Cis. El compuesto que se forma se rompe en el riñón produciendo el Cis-derivado, que se acetila paraproducir un conjugado del ácido mercaptúrico, el cual se excreta en la orina. Esta reacción es importante en la destoxificación deepóxidos y peróxidos. La glutatión-S-transferasa se encuentra en células de muy diversos tejidos. Si esta reacción disminuyesignificativamente el nivel celular de glutatión, el organismo puede sufrir daños considerables debido a la peroxidación de lípidos o porotros tipos de agresión química.

Metilación.La metilación juega un papel menor en la biotransformación de xenobióticos, excepto en la destoxificación de arsénico. Los

compuestos inorgánicos de arsénico se transforman en metabolitos monometilados y dimetilados que son menos tóxicos. La reacciónconsiste en la transferencia de un grupo metilo a un hidroxilo, amino o sulfhidrilo, es catalizada por las metiltransferasas y elcompuesto donador de grupos metilo es la SAM (S-adenosil-metionina). La metilación es importante en la transformación decompuestos endógenos y forma parte en la biosíntesis de varios aminoácidos y esteroides, así como en la metilación del ADN.

Las reacciones de la Fase I activan grupos funcionales, la metilación los enmascara impidiendo que participen en reacciones de lafase II, por lo tanto, si se metilan los xenobióticos se disminuye la tasade eliminación del compuesto. Como se puede ver, varias de lasreacciones de la Fase II requieren de los mismos grupos funcionales, así que los compuestos que pueden ser modificados por más deuna enzima entran en reacciones que son mutuamente competitivas.





Unidad 4. Genética

4.1. Ácidos nucléicos

ÁCIDOS NUCLÉICOS

INTRODUCCIÓN

Todas las células contienen la información necesaria para realizar distintas reacciones químicas mediante las cuales las célulascrecen, obtienen energía y sintetizan sus componentes. Está información está almacenada en el material genético, el cual puedecopiarse con exactitud para transmitir dicha información a las células hijas. Sin embargo estas instrucciones pueden ser modificadaslevemente, es por eso que hay variaciones individuales y un individuo no es exactamente igual a otro de su misma especie (distintocolor de ojos, piel, etc.). De este modo, podemos decir que el material genético es lo suficientemente maleable como para haceposible la evolución.

La información genética o genoma, está contenida en unas moléculas llamadas ácidos nucleicos. Existen dos tipos de ácidosnucleicos: ADN y ARN. El ADN guarda la información genética en todos los organismos celulares, el ARN es necesario para que seexprese la información contenida en el ADN; en los virus podemos encontrar tanto ADN como ARN conteniendo la información (uno uotro nunca ambos).

COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS

Los ácidos nucleicos resultan de la polimerización de monómeros complejos denominados nucleótidos.

Un nucleótido está formado por la unión de un grupo fosfato al carbono 5‘ de una pentosa. A su vez la pentosa lleva unida acarbono 1‘ una base nitrogenada.

Fig. 2.36 - Estructura del nucleotido monofosfato de adenosina (AMP)

Las bases nitrogenadas son moléculas cíclicas y en la composición de dichos anillos participa, además del carbono, el nitrógenoEstos compuestos pueden estar formados por uno o dos anillos. Aquellas bases formadas por dos anillos se denominan bases púricas(derivadas de la purina). Dentro de este grupo encontramos: Adenina (A), y Guanina (G).





Si poseen un solo ciclo, se denominan bases pirimidínicas (derivadas de la pirimidina), como por ejemplo la Timina (T), Citosina (C)Uracilo (U).

Estos derivados de la purina y la pirimidina son las bases que se encuentran con mayor frecuencia en los ácidos nucleicos.

Fig. 2.37- Bases púricas y pirimídicas

Fig. 2.38 - Bases menos frecuentes

Existen otras bases nitrogenadas que son menos frecuentes, algunas de ellas están metiladas. En eucariontes estas bases metiladasparticipan del control de la expresión genética.





Nucleótidos de importancia biológica

ATP (adenosin trifosfato): Es el portador primario de energía de la célula. Esta molécula tiene un papel clave para el metabolismo dela energía. La mayoría de las reacciones metabólicas que requieren energía están acopladas a la hidrólisis de ATP.

Fig. 2.39 - ATP (Adenosin trifosfato)

Fig. 2.40 - Estructura del AMPC

Este nucleótido posee tres grupos fosfatos unidos entre sí. Estosgrupos fosfatos dado el pH celular se encuentran desprotonados, demanera que poseen cargas negativas. Como estas cargas están muycerca se repelen fuertemente. Para mantenerlos juntos, seestablecen uniones de alta energía entre los fosfatos, por lo tanto,cuando la molécula se hidroliza la energía se libera. Del mismo modopara sintetizar una molécula de ATP se requiere energía.

AMP cíclico: Es una de las moléculas encargadas de transmitir unaseñal química que llega a la superficie celular al interior de la célula.

segundo mensajero)

NAD+ y NADP+: (nicotinamida adenina dinucleótido y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Son coenzimas que intervienen enlas reacciones de oxido-reducción, son moléculas que transportan electrones y protones. Intervienen en procesos como la respiracióny la fotosíntesis.





Fig. 2.41 - Estructura del NAD+, La nicotinamida acepta hidrogeniones, proceso denominado reducción

FAD+: También es un transportador de electrones y protones. Interviene en la respiración celular.

Coenzima A: Es una molécula que transporta grupos acetilos, interviene en la respiración celular, en la síntesis de ácidos grasos yotros procesos metabólicos.

Polinucleótidos

Existen dos clases de nucleótidos, los ribonucleótidos en cuya composición encontramos la pentosa ribosa y losdesoxirribonucleótidos, en donde participa la desoxirribosa.

Los nucleótidos pueden unirse entre sí, mediante enlaces covalentes, para formar polímeros, es decir los ácidos nucleicos, el ADN y eARN.

Dichas uniones covalentes se denominan uniones fosfodiéster . El grupo fosfato de un nucleótido se une con el hidroxilo del carbono5‘ de otro nucleótido, de este modo en la cadena quedan dos extremos libres, de un lado el carbono 5‘ de la pentosa unido al fosfato ydel otro el carbono 3‘ de la pentosa.





Fig. 2.42 - Estructura de un polirribonucleótido

ADN – Ácido desoxirribonucleico

Los ácidos nucleicos fueron aislados por primera vez en 1869, sin embargo no fue hasta mucho después que se conoció su función. Aprincipio de siglo los científicos que querían explicar como se transmitía y se almacenaba la información genética se enfrentaron a unproblema, era el ADN o las proteínas de los cromosomas los que portaban la información genética.





Se sabía que el ADN constaba de solo cuatro tipo de monómeros, frente a los 20 aminoácidos que se encuentran formando parte delas proteínas, de manera que se pensaba que era demasiado sencillo como para guardar la información, por lo cual se le asignabauna función estructural.

La evidencia que ha servido para esclarecer la función del ADN, ha procedido, por un lado, del hecho que la cantidad de ADN de unaespecie es constante, sin importar la edad, sexo, factores nutricionales o ambientales.

Por otra parte, la cantidad de ADN tiene mayoritariamente una relación directa con la complejidad del organismo, así como también seobserva que las gametas de los individuos con reproducción sexual poseen solo la mitad del ADN que posee cualquier de sus célulassomáticas.

Sin embargo esto por si solo no confirmó la función del ADN. Por ello se llevaron a cabo una serie de experimentos que lodemostraron en forma concluyente.

En 1928, Griffith experimentó con distintas cepas de bacterias, una de ellas era la forma llamada lisa (L), rodeada de una cápsula depolisacáridos y causante de neumonía en los ratones. En contraste las cepas rugosas, no contenía el polisacárido y no era virulenta.

Griffith experimentó con ratones. A unos inyectándoles cepas lisas muertas por calor, a otras cepas rugosas vivas y a otros una

mezcla de cepa R viva con cepa L muertas por calor, en este último caso los ratones morían de neumonía, es decir que las célulasrugosas se habían transformado en cepas virulentas. En 1944 se demostró que ese principio transformador era el ADN y no lasproteínas.





Fig. 2.43 - Experimento de Griffith

Otra serie de experimentos realizados en 1952 por Hershey y Chase, demostraron en forma indiscutible que el ADN es el materialgenético. Trabajaron con virus llamados bacteriofagos; los bacteriofagos, están formados por ADN y proteínas, las proteínas formanuna cubierta y en su interior se aloja el ADN. Se cultivaron virus en un medio que contenía fósforo radiactivo, de manera que alsintetizar su ADN, la molécula quedaba marcada radiactivamente. Otros virus se hicieron crecer en medio con azufre radiactivoquedando marcadas radiactivamente las proteínas. Los virus tienen un mecanismo de acción muy particular, ya que no ingresan a lacélula que infectan sino que solo inyectan su material genético. Luego se pusieron en contacto los virus que poseían las proteínasradiactivas con un cultivo de bacterias y lo mismo se hizo con los virus que tenían el ADN marcado.

Fig. 2.44 - Experimento de Hershey y Chase





Si la información genética estaba contenida en el ADN la marca radiactiva debía estar en el interior de las bacterias de este últimogrupo, por el contrario si eran las proteínas las que cumplían dicha función la marca radiactiva estaría adentro de las bacterias deprimer grupo. El resultado del experimento confirmó que el ADN era la molécula que buscaban, ya que se encontraba la marcaradioactiva en el interior de las bacterias que se pusieron en contacto con ADN marcado.

Una vez establecida su función faltaba determinar su estructura, como era posible que esa estructura repetitiva almacenara lasdistintas instrucciones.

En 1953 Watson y Crick propusieron el modelo de doble hélice, para esto se valieron de los patrones obtenidos por difracción derayos X de fibras de ADN, y de los postulados enunciados por Chargaff que estableció que la cantidad de adenina de una molécula deADN era igual a la cantidad de timina de la misma molécula y que la cantidad de guanina era igual a la cantidad de citosina, es decirque el contenido de purinas era igual al de pirimidinas.

Fig. 2.45 - Pares de bases del ADN: La formación específica de enlaces de hidrógeno entre G y C y entre A y T genera los pares debases complementarias

El modelo de la doble hélice establece que las bases nitrogenadas de las cadenas se enfrentan y establecen entre ellas uniones detipo puente de hidrógeno. Este enfrentamiento se realiza siempre entre una base púrica con una pirimídica, lo que permite emantenimiento de la distancia entre las dos hebras. La Adenina se une con la timina formando dos puentes de hidrógeno y la citosinacon la guanina a través de tres puentes de hidrógeno. Las hebras son antiparalelas, pues una de ellas tiene sentido 5‘





El modelo de Watson y Crick, describe a la molécula del ADN como una doble hélice, enrollada sobre un eje, como si fuera unaescalera de caracol y cada diez pares de nucleótidos alcanza para dar un giro completo.

Excepto en algunos virus, el ADN siempre forma una cadena doble.

Factores que estabilizan la doble hélice

Los puentes de hidrógeno entre las bases tienen un papel muy importante para estabilizar la doble hélice, si bien individualmente sondébiles hay un número extremadamente grande a lo largo de la cadena.

Las interacciones hidrofóbicas entre las bases también contribuyen con la estructura.

Los grupos fosfatos que se encuentran en el exterior de la doble hélice pueden reaccionar con el agua aportando mayor estabilidad.

Fig. 2.46 - Una corta sección de la doble hélice de ADN





Fig. 2.47 - (a) Modelo de la doble hélice de ADN, (b) Representación abreviada de un segmento de ADN

Funciones biológicas

El ADN es el portador de la información genética y a través de ella puede controlar, en forma indirecta, todas las funciones celulares.

Debemos recordar aquí que las enzimas son proteínas que catalizan todas las funciones biológicas y se sintetizan en las células deacuerdo a la información genética. Vale decir que a la información genética la podemos comparar con un recetario, donde están lasrecetas de todas las proteínas del organismo.

Encontramos ADN en el núcleo de las células animales y vegetales, en los organismos procariontes, en organoides como loscloropastos y mitocondrias, como así también en algunos virus, a los que llamamos ADN - virus.

ARN – Ácido ribonucleíco

El ácido ribonucleíco se forma por la polimerización de ribonucleótidos. Estos a su vez se forman por la unión de:

a) un grupo fosfato. b ) ribosa, una aldopentosa cíclica y c) una base nitogenáda unida al carbono 1‘ de la ribosa, que puede secitocina, guanina, adenina y uracilo. Esta última es una base similar a la timina.

En general los ribonucleótidos se unen entre sí, formando una cadena simple, excepto en algunos virus, donde se encuentranformando cadenas dobles.

La cadena simple de ARN puede plegarse y presentar regiones con bases apareadas, de este modo se forman estructurassecundarias del ARN, que tienen muchas veces importancia funcional, como por ejemplo en los ARNt (ARN de transferencia).

Se conocen tres tipos principales de ARN y todos ellos participan de una u otra manera en la síntesis de las proteínas. Ellos son: ElARN mensajero (ARNm), el ARN ribosomal (ARNr) y el ARN de transferencia (ARNt).





ARN MENSAJERO (ARNm)

Fig. 2.48 - Esquema de una ARNm bacteriano

Consiste en una molécula lineal de nucleótidos (monocatenaria), cuya secuencia de bases es complementaria a una porción de lasecuencia de bases del ADN. El ARNm dicta con exactitud la secuencia de aminoácidos en una cadena polipeptídica en particularLas instrucciones residen en tripletes de bases a las que llamamos codones. Son los ARN más largos y pueden tener entre 1000 y10000 nucleótidos

En los eucariontes los ARNm derivan de moléculas precursoras de mayor tamaño que se conocen en conjunto como ARNheterogéneo nuclear (hnARN), el cual presenta secuencias internas no presentes en ARN citoplasmáticos.

ARN RIBOSOMAL (ARNr)Este tipo de ARN una vez transcripto, pasa al nucléolo donde se une a proteínas. De esta manera se forman las subunidades de losribosomas. Aproximadamente dos terceras partes de los ribosomas corresponde a sus ARNr.





(receptores), etc. Prácticamente, no existe proceso biológico en el que no participe por lo menos una proteína. Se las considera comoel grupo de compuestos que mayor cantidad de funciones desempeñan en los seres vivos.

Estas moléculas son polímeros de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

Las proteínas pueden ser simples o conjugadas. Las simples sólo están formadas por aminoácidos. Las conjugadas contienen

además de la o las cadenas polipéptidicas, grupos no proteicos, denominados grupos prosteicos, por ejemplo la hemoglogina o laslipoproteínas.

Para entender los aspectos estructurales y las características químicas de las proteínas, es fundamental analizar primero la de susmonómeros.

AMINOÁCIDOS

Como su nombre lo indica, cada aminoácido está formado por un grupo amino y un grupo ácido carboxílico , unidos a un átomo decarbono central o carbono a, el que además tiene unido siempre un átomo de hidrógeno y una cadena lateral de características

variables.

Por poseer un grupo amino y un grupo carboxilo, losaminoácidos son anfolítos, dependiendo del pH del medio sucomportamiento como ácidos o bases.

Fig. 2.51 - Fórmula general de un aminoácido

El carbono central es asimétrico ya que está compartiendo electrones con cuatro grupos diferentes, por eso los aminoácidos, conexcepción de la glicina, presentan actividad óptica, es decir, tienen isómeros D y L. Solamente las formas L forman parte de lasproteínas.

Como muestra la fórmula, el carbono central se encuentra unido a un grupo variable o resto (R). Es en dichos grupos R, donde lasmoléculas de los veinte aminoácidos [1] que forman parte de las proteínas se diferencian unas de otras. En la glicina, el más simple delos ácidos, el grupo R se compone de un único átomo de hidrógeno. En otros aminoácidos el grupo R es más complejo, conteniendocarbono e hidrógeno, así como oxígeno, nitrógeno y azufre.

De acuerdo con la naturaleza del ‖R‖ podemos clasificar a los aminoácidos en polares (con y sin carga) y aminoácidos no polar es.

http://www.genomasur.com/lecturas/Guia02-2.htm#_ftn1

http://www.genomasur.com/lecturas/Guia02-2.htm#_ftn1





Fig. 2.53 - Estructura química de los veinte aminoácidos clasificados en ácidos, básicos, neutros polares y neutros no polares. Lasestructuras que se encuentran debajo de los grupos amino y carboxilo son las cadenas laterales R

Aminoácidos esenciales

La síntesis proteica requiere de un constante aporte de aminoácidos. Los organismos heterótrofos sintetizan gran parte de estosaminoácidos a partir de esqueletos carbonados. Los que requieren ser incorporados por la ingesta, no pudiendo ser sintetizados, sedenominan aminoácidos esenciales, y son producidos por plantas y bacterias (Tabla 2.4).

Tabla 2.4 - Aminoácidos no esenciales yesenciales para el hombre No esenciales Esenciales Glutamato IsoleucinaGlutamina Leucina

Prolina LisinaAspartato FenilalaninaAsparagina MetioninaAlanina TreoninaGlicina TriptofanoSerina ValinaTirosina Histidina

CisteínaArginina ( sólo enlactantes)





Tabla 2.5 - Péptidos con función hormonal Nombre Nº de

aminoácidosÓrgano productor Órgano blanco Función

Oxitocina 9 HipotálamoÚtero, glándulamamaria.

Contracción delmúculo liso uterinoy eyección de

lecheVasopresina(ADH)

9 Hipotálamo Riñón, vasos.Antidiurética yvasopresora

Hormona delcrecimiento (GH)

191 HipófisisAccióngeneralizada

Crecimiento

Hormonaluteinizante (LH)

200 HipófisisTestículos yovarios

Promueve lasíntesis de losesteroidesandrógenos yestrógenos, etc.

Hormona Folículo

estimulante (FSH) 200 Hipófisis

Testículos y

ovarios

Crecimiento detubos seminíferos

y desarrollofolicular.

Prolactina (PRL) 191 Hipófisis Glándula mamariaEstimula lasecreción de leche

Hormonaadrenocorticotrofa(ACTH)

39 Hipófisis Corteza adrenalEstimula lasecreción decorticoesteroides

Tirotropina (TSH) 220 Hipófisis TiroidesEstimulasecreción detiroxina

Paratohormona(PTH)

84 ParatiroidesHuesos, riñón eintestino. Regulan la

calcemiaCalcitonina (CT) 32 Paratiroides Huesos y riñón

Insulina 51 PáncreasTejidos insulino-dependientes. Regulan la

glucemiaGlucagón 29 Páncreas

Accióngeneralizada

Tabla 2.6 - Algunos Péptidos con función neurotransmisora Nombre Nº de aá. EfectoSustancia P 11 DolorAngiotensina II 8 Ansiedad

Encefalinas (ENK) 4 Control del dolorColecistoquinina(CCK) 8 Regulación del apetitoBeta-endorfina 31 Placer y analgesia





Estructura proteica

ESTRUCTURA PRIMARIA

Es la secuencia ordenada y única de los aminoácidos en la cadena polipeptídica, la cual está determinada genéticamente.

La estructura primaria es fundamental para la forma tridimensional que tendrá la proteína. Cualquier modificación en la secuencia deaminoácidos podría ocasionar un cambio en la estructura tridimensional y afectará la función biológica de la proteína.

Fig. 2.55 - Estructura primaria de las dos cadenas polipeptídicas que componen la insulina. La estructura primaria es la secuencialineal de aminoácidos, cada uno de los cuales está representado en el diagrama por un óvalo. La letra en el interior de los óvalos sonlos símbolos que indican el nombre de los aminoácidos. La insulina es una proteína muy pequeña.

Debido a la posibilidad de combinar los aminoácidos en cualquier orden y cantidad es fácil comprender su versatilidad funcional.

ESTRUCTURA SECUNDARIA

A medida que la cadena de aminoácidos se va ensamblando, empiezan a tener lugar interacciones entre los diversos aminoácidos dela cadena. Pueden formarse puentes de hidrógeno entre el hidrógeno del amino de un aminoácido y el oxígeno del carboxilo de otro. Acausa de estas uniones la cadena polipeptídica se pliega, adoptando dos posibles configuraciones espaciales que constituyen lo quese conoce como estructura secundaria de una proteína. Estas dos configuraciones son las llamadas a-hélice y b-hoja plegada. Estas

conformaciones no son las únicas que pueden adoptar las proteínas ya que en realidad cada proteína adopta una forma característicaque depende de la secuencia lineal. Sin embargo las configuraciones antes mencionadas son las más frecuentes.

La a-hélice es un tipo de espiral cilíndrico estabilizado por puentes de hidrógeno intracatenario, mientras que la b-hoja plegada estáformada por cadenas polipeptídicas paralelas, mantenidas por puentes de hidrógeno intercatenarios.





Fig. 2.56 - Esquema de una proteína presentando regiones con estructura secundaria en a-Hélice, en Hoja b-Plegada y regiones conenroscamientos aleatorios.

Existen porciones de la cadena polipeptídica que no tienen estructura secundaria bien definida, y suelen denominarseenroscamientos aleatorios o ad random

La proporciones de los distintos tipos de estructuras secundaria varían de una proteína a otra, sin embargo podemos decir que en lamayoría de las proteínas las formas a y b suelen constituir entre el 60 y el 70 % del polipéptido y un 30% conforman enroscamientosaleatorios

Diversas secciones consecutivas de estructuras secundarias con frecuencia constituyen una estructura estrechamente asociada, estoes reconocido como otro nivel de estructura proteica que se denomina estructura supersecundaria. Existen varios ejemplos: el tipo b ab donde encontramos dos secuencias de b-plegada conectadas por una secuencia a.

DOMINIOS

Se reconocen como agrupamientos aproximadamente esféricos con unos 50 a 150 aminoácidos que se forman por compactamientolocal de la cadena polipeptídica. Una proteína de más de 200 aminoácidos en general contiene dos o tres dominios. Es difíci

diferenciar la estructura supersecundaria del dominio, el dominio podría ser sólo una estructura supersecundaria o varias de ellascombinadas para dar un cúmulo compacto. El concepto de dominio es de utilidad ya que muchas proteínas distintas tienen dominiossimilares, de modo que parece ser que los dominios son unidades estructurales fundamentales, por ejemplo muchas proteínasdistintas se enlazan con el NAD+ por medio de un dominio llamado pliegue de mononucleótido.

ESTRUCTURA TERCIARIA

Debido a la interacción de los grupos Rla cadena polipeptídica se pliegadeterminando una intrincada estructuratridimensional.

En muchas proteínas la estructuraterciaria le brinda a la proteína unaforma globular, como por ejemplo enlas enzimas, que son proteínas confunción catalítica.

Otras proteínas tienen estructuraterciaria fibrosa y suelen tener largashélices o extensas hojas plegadasEstas proteínas fibrosas suelen tenefunción estructural como el colágeno.

Fig. 2.57 - Tipos de enlace queestabilizan la estructura terciaria de unaproteína

El funcionamiento de las proteínasdepende del plegamiento de sus moléculas que da lugar a configuraciones específicas y forma centros que pueden reconocer a lamolécula con la cual la proteína se asocia o reacciona durante el metabolismo





Fig. 2.58- Estructura de la molécula de hemoglobina (estructura cuaternaria) . Formada por dos cadenas de a-hemoglobina y doscadenas de b-hemoglobina. Cada cadena transporta una molécula de oxígeno

ESTRUCTURA CUATERNARIA

Muchas proteínas presentan este tipo de estructura, que es el grado máximo de organización proteica y consiste en dos o máscadenas polipeptídicas unidas generalmente mediante enlaces débiles.

Estas proteínas se denominan oligoméricas o multiméricas y se las designa según el número de cadenas polipeptídicas queintervienen en la estructura cuaternaria. Por ejemplo, una proteína formada por cuatro subunidades es un tetrámero, como es el casode la hemoglobina.

Cada una de las subunidades proteícas, tienen su propia estructura terciaria.

FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LAS PROTEÍNAS

Las proteínas dirigen la totalidad de los procesos celulares, incluso su propia síntesis. Las funciones de mayor importancia de lasproteínas en los seres vivos son:

Función estructural, como el colágeno, la tubulina de los microtúbulos, las de las cápsides virales, etc. (Tabla 2.7).

Las moléculas de colágeno son ejemplos típicos de las proteínas simples fibrosas. Son la clase de proteínas más abundantes denuestro cuerpo, son componentes de la matriz extracelular del tejido conectivo, de modo que las podemos encontrar en tendonesligamentos, membrana basal, etc.





Aunque existen distintos tipos de colágeno que se diferencian en las secuencias de aminoácidos y en las proporciones con que seencuentran los mismos, podemos hacer una generalización acerca de su estructura. El colágeno es una proteína fibrosa que poseeuna estructura de orden superior. Esta formado por unidades compuestas por tres cadenas polipeptídicas de aproximadamente 1000aminoácidos cada una. Un tercio de esos aminoácidos está constituido por la glicina, prolina e lisina hidroxiladas, constituyendo unaestructura rígida. El procolágeno, su unidad precursora, es secretado por el fibroblasto a la matriz extracelular junto a dos enzimasEstas enzimas catalizan la separación de los extremos de la molécula de procolágeno para producir la triple hélice de tropocolágenoLas moléculas de tropocolágena se asocian espontáneamente formando microfibrillas. Las microfibrillas se empaquetan unas junto aotras para formar fibras de colágeno maduro.

Otro ejemplo de proteínas simples fibrosas lo constituyen las queratinas, que dan protección externa (piel, uñas, cabello, cuernos,etc.). Son producidas por las células epidérmicas. En su estructura secundaria es en gran parte a-hélice, en el caso particular de lasqueratinas del cabello encontramos en su estructura primaria un gran número de cisteínas ( en el R contienen grupos SH) lo quepermite la formación de puentes disulfuro, que son uniones covalentes que se dan entre dos grupos SH y que estabilizan la estructuraproteica. El calor o el tratamiento con determinados productos químicos pueden reducir los puentes disulfuro, o bien formar puentesnuevos, estirando u ondulando el cabello.

Tabla 2.7 - Algunas Proteínas Fibrosas y sus Funciones Proteína Origen Función

F-actina Intracelular, todas las células. Formación de microfilamentos en elcitoesqueleto, movimiento contráctil.Colágeno Matriz extracelular, huesos, piel,

vasos sanguíneos.Resistencia a la tensión.

Desmina Células musculares. Estructuras que sirven de armazón dentrode la célula.

Elastina Vasos sanguíneos, ligamentos. Elasticidad.Fibroína Seda Fuerza sin flexibilidad.Queratina Piel, cabello, etc. Intracelular. Estructuras protectoras, resistencia a la

tensión de los epitelios.Lamina(Lamininanuclear)

Lamina nuclear. Estructural.

Esclerotina Exoesqueleto de los artrópodos. RigidezEspectrina Membrana de los eritrocitos. Se enlaza con la F-actina, lo que permite

que la membrana sea flexible.

Función Reguladora: como las ciclinas que controlan el ciclo celular y los factores de transcripción que regulan la expresión de losgenes.

Función Motora: actina y miosina del músculo.

Función de Transporte: Globulinas en general, hemoglobima, mioglobina y las lipoproteínas son algunos ejemplos.





Fig. 2.59 - Grupo Hemo, presente en la hemoglobina y la mioglobina.

La hemoglobina y la mioglobina son proteínas globulares conjugadas, es decir que en su estructura encontramos a parte de

polipéptido un grupo no proteico que en este caso corresponde al grupo Hemo.

La mioglobina consta de una sola cadena polipeptídica asociada a un grupo hemo que es el responsable de la unión del oxígeno, entanto que la hemoglobina está formada por cuatro cadenas polipeptídicas cada una con su correspondiente grupo hemo. Por lo tantola hemoglobina presenta estructura cuaternaria lo que le permite variar su afinidad por él oxigeno, la cual se ve afectada por el pHsanguíneo, la temperatura y la concentración de 2,3 DGP (2,3- difosfoglicerato).

Función de Reserva: La ovoalbúmina, componente principal de la clara de huevo o la gliadina del trigo.

Función de Receptores: como las proteínas receptoras de membrana.

Función Enzimática: La enzimas catalizan todas las reacciones metabólicas. Dada su importancia biológica, este tema será tratado

con más detalle en el próximo capítulo.

Función de Defensa: Los anticuerpos son proteínas simples globulares y son sintetizadas por las células plasmáticas ( linfocitos Bactivados), son también conocidas como inmunoglobulinas o gamaglobulinas. Estas proteínas presentan gran diversidad ya que cadaanticuerpo es específico para un determinado antígeno. Sin embargo, podemos mencionar que en general están compuestas porcuatro cadenas polipeptídicas dos contienen 220 aminoácidos (cadenas livianas) y las otras más largas con 440 aminoácidos cadauna (cadenas pesadas).

Función de mensajeros químicos: La mayor parte de las hormonas son proteínas o glucoproteínas. También ciertos aminoácidosderivados de aminoácidos y oligopéptidos son neurotransmisores en el sistema nervioso.

Desnaturalización de las proteínas Se denomina así a la pérdida de la estructura tridimensional de las proteínas. Es decir su estructura secundaria, terciaria o cuaternariasi la tuviera. Son agentes desnaturalizantes el calor, ácidos y bases fuertes, radiaciones, etc.

La desnaturalización no afecta la estructura primaria, estabilizada por enlaces covalentes.

En condiciones extremas de pH y temperaturas se pueden llegar a romper los enlaces peptídicos de manera que se rompe laestructura primaria, este proceso se denomina hidrólisis.





La desnaturalización proteica es útil desde el punto de vista clínico ya que con frecuencia es utilizada en distintos procedimientos. Unejemplo lo constituye la esterilización de elementos quirúrgicos, en donde el calor destruye las proteínas de los microorganismos, lomismo que algunos desinfectantes como el alcohol.

En la naturaleza se han encontrado aproximadamente 150 aminoácidos, pero sólo 20 de ellos están presentes en lasproteínas.

4.2. SINTESIS DE PROTEINAS

TRASCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICACONCEPTO MOLECULAR DEL GEN. ESTRUCTURA DE LOS GENES EN EUCARIOTAS

Concepto molecular de gen: La mayoría de los genes son fragmentos de la molécula de ADN que determinan la síntesis de unaproteína, otros realizan funciones reguladoras.

Estructura de los genes en eucariotas: La estructura de los genes en eucariotas es compleja. La secuencia de nucleótidos queconstituye un gen, y los propios genes entre sí, no se disponen linealmente en los cromosomas sino espaciados por fragmentos deADN que no poseen información que pueda ser transcrita. En todo gen, además, distinguiremos las siguientes regiones:

La región promotora o promotor (P) La región codificadora (C) La región terminadora o terminador (T)

D) La región promotora es una porción del ADN situada al principio del gen y que, sin codificar ningún aminoácido,sirve para que las enzimas que realizan la transcripción reconozcan el principio del gen.

E) La región codificadora es la parte del gen que contiene la información para la síntesis de la proteína. En la regióncodificadora van a existir fragmentos de ADN que no contienen información: los intrones, y fragmentos que sí quecontienen información: los exones. Considerando la hebra 5'->3', el principio de esta región viene marcado por lasecuencia de bases nitrogenadas ATG y el final por una de estas tres tripletas: TAA, TAG, TGA; tripletas que sedenominan de paro, sin sentido o secuencias stop.





F) La región terminadora. Marca el final del gen.

TRANSCRIPCIÓN DE LA INFORMACIÓN DEL ADN

El ADN se encuentra en el núcleo celular y la síntesis de proteínas tienelugar en el citoplasma, en el hialoplasma concretamente.Es por esto que la información contenida en la estructura primaria del ADNdebe transcribirse a una molécula de ARN denominada ARN mensajero(ARNm). También sesintetizan en el núcleo el ARNr y el ARNt, necesarios para la síntesisproteica.

Los procesos de síntesis de ARN a partir del ADN constituyen latranscripción de la información genética.

MECANISMO DE LA TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIOTAS

Destaquemos, en primer lugar, que para cada gen, sólo una de las cadenas, de las dos que posee el ADN, se transcribe. E

mecanismo se realiza de la siguiente manera:

1. niciación: Una ARNpolimerasa comienza lasíntesis del precursodel ARN a partir de unasseñales de iniciación"secuencias deconsenso " que se

encuentran en el ADN.





2. Alargamiento: La síntesis de la cadena continúa endirección 5' 3'. Después de 30 nucleótidos se le añade al ARNuna cabeza (caperuza o líder) de metil-GTP en el extremo 5'. Estacabeza parece tener una función protectora para que las enzimasexonucleasas que destruyen los ARN no lo ataquen. Una vez queesto ha ocurrido, continúa la síntesis del ARN en dirección 5´ 3´.

3. Finalización: Una vez que la enzima (ARN polimerasa) llega a laregión terminadora del gen, finaliza la síntesis del ARN.Entonces, una poliA-polimerasa añade una serie de

nucleótidos con adenina, la cola poliA, y el ARN, llamado ahoraARNm precursor , se libera.

4. Maduración: El ARNm precursor contiene tanto exones como intrones. Se trata, por lo tanto, de un ARNm no apto paraque la información que contiene sea traducida y se sintetice la correspondiente molécula proteica. En el proceso de

maduración un sistema enzimático reconoce, corta y retira los intrones y las ARN-ligasas unen los exones, formándoseel ARNm maduro.

Todo esto se ha producido en el núcleocelular. El ARNm maduro, que a partide ahora será simplemente el ARNm otambién, el transcrito, pasará ahialoplasma donde su informaciónservirá para la síntesis de una proteínaconcreta. Esto es, la información que se

encuentra en forma de una cadena denucleótidos se traducirá a una cadenade aminoácidos.





LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS:

DIFERENCIAS CON EUCARIOTAS

1a. En los procariotas el ARNm no tiene nicaperuza ni cola.

2a. Tampoco tiene intrones y por lo tanto norequiere de un mecanismo de maduración.

3a. Al mismo tiempo que el ARNm setranscribe se está ya traduciendo.

4a. Los genes son policistrónicos, esto es,un ARNm contienen información para varias

proteínas.

4.3. EL CÓDIGO GENÉTICO

El ARNm tiene una estructura primaria complementaria de una de las cadenas del ADN. Esta disposición de las bases nitrogenadasen el ARNm es la que codifica la secuencia de aminoácidos de la proteína.

CRICK demostró que los aminoácidos en lasproteínas van a estar codificados por secuencias detres bases nitrogenadas consecutivas de lascadenas de ARNm, a partir de la secuencia deiniciación AUG, complementaria de la secuencia deiniciación TAC del ADN. Cada una de estassecuencias de tres bases se llaman tripletas ocodones.

Debe de tenerse en cuenta que, al haber en lasproteínas 20 aminoácidos distintos, una o dosbases no serían suficientes para codificarlos. Altener los ácidos nucleicos cuatro bases diferentes(la adenina, la guanina, la citosina y el uracilo), querepresentaremos por A, G, C y U respectivamente, existirán 64 codones o combinaciones de tres bases y como solamente hay 20aminoácidos distintos, se deduce, que varias tripletas codificarán un mismo aminoácido.

Este código, que relaciona la secuencia de bases del ARN con la secuencia de aminoácidos en las proteínas, recibe el nombre decódigo genético.





CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO

1º El código genético es universal. Todos los seres vivos lo emplean; con ciertas excepciones, por ejemplo, el de lasmitocondrias, que tiene algunas diferencias.

2º Se trata de un código degenerado pues el número de tripletas (64) es superior al de aminoácidos existentes en las proteí nas(20).

3º Existen tres tripletas que no codifican ningún aminoácido, son las tripletas " sin sentido", de "paro" o " stop". Estas tripletasmarcan el final de la región a traducir, esto es, el final de la molécula proteica.

4º La secuencia AUG codifica el principio de la región que se va a traducir y al mismo tiempo sirve para codificar al aminoácidometionina. Por lo tanto, todas las proteínas comienzan por la metionina. Ahora bien, posteriormente, esta metionina queocupa la posición inicial puede ser eliminada.

EL CÓDIGO GENÉTICO

EL CÓDIGO GENÉTICO (orden alfabético)





MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA.

Consiste en la síntesis de una proteína a partir de la información contenida en el ARNm. Se trata de un proceso que se produce en el

hialoplasma. Consta de las siguientes fases:

1º Activación de los aminoácidos: La formación del

enlace peptídico es un proceso endergónico. Para que

pueda realizarse, los aminoácidos (aa) deben de ser

activados, activación que se realiza por medio del GTP

según la siguiente ecuación:

aa + GTPaa-GMP + PPi

Los aminoácidos activados se unen a una molécula de ARNt (ARN de

transferencia).

Estos polinucleótidos poseen en su estructura una secuencia de tres

bases, el anticodón, complementaria de los correspondientes

codones o tripletas del ARNm. Cada aminoácido se une, por lo tanto

a un ARNt específico, que será aquel que lleve el anticodón

correspondiente.





La estructura terciaria y cuaternaria de las proteínas se vaadquiriendo según estas se van sintetizando

Es de destacar, que varios ribosomas, de 4 a 6, a veces incluso100, pueden estar traduciendo al mismo tiempo una cadena deARNm. La función de los ribosomas no se conoce con exactitudpero, podría ser, la de recibir las instrucciones genéticas ytraducirlas a proteínas. Para ello es necesario que se unan aARNm, procesen la información, incorporen los aminoácidos y losunan entre sí mediante enlaces peptídicos.

TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA 1. Iniciación

Unión del ARNt que transporta la metionina. La unión se

produce entre el codón del ARNm y el anticodón del ARNt.





2. Elongación

Unión del complejo ARNt-Gln (Glutamina) a la región

aminoacil (A) del ribosoma.

Formación del enlace peptídico entre el grupo carboxilo de

la metionina (Met) y el grupo amino del segundo

aminoácido: la glutamina

(Gln). El ARNt de la metionina se libera.

El ARNm se traslada hacia el codón siguiente, el 31. El complejo

ARNt-Gln-Met queda situado en la región peptidil (P) del ribosoma y

la posición aminoacil (A) queda libre, entrando el complejo ARNt

Cys del siguiente aminoácido (cisteína).

Formación del enlace peptídico entre el grupo carboxilo del dipéptido

(Met-Gln) y el grupo amino de la cisteína (Cys). Liberación del ARNt de la

glutamina.





Desplazamiento del ARNm a la siguiente posición y entrada del

complejo ARNt-Leu, correspondiente al cuarto aminoácido: leucina.El proceso continúa así hasta llegar al codón de finalización (UAG).

3. Finalización

El ribosoma llega al codón de finalización, uno de los codones sin

sentido. El péptido se encuentra ya totalmente sintetizado.

La cadena polipeptídica se libera y las subunidades del

ribosoma se disocian y se separan del ARNm.

4.4. REGULACIÓN DE LA ACCIÓN DE LOS GENES: HIPÓTESIS DEL OPERÓN





Jacob y Monod interpretaron estos resultados planteando la

hipótesis del operón. Según esta hipótesis la actividad de varios

genes que codifican enzimas relacionadas entre sí, genes

estructurales, sería desencadenada por la acción de un gen

operador , contiguo a los genes estructurales en la molécula de

ADN. El conjunto formado por los genes estructurales y el gen

operador recibe el nombre de operón.

Si el gen operador se encuentra libre, los genes estructurales se

transcriben. A su vez,el gen operador estaría controlado por un

gen regulador , que puede estar situado lejos del operón. Este

gen va a sintetizar un ARNm que servirá para la síntesis de una

proteína: el represor . Si el represor se encuentra activo se unirá

al gen operador inhibiéndolo, con lo que los genes estructurales

no se transcribirán.

El operón LAC en E. coli constaría de tres genes estructurales

que codificarían respectivamente: la ß-galactosidasa (gen z), la permeasa (gen y) y la transacetilasa (gen a). Si no hay lactosa en el

medio, el gen regulador se traduciría en una proteína, el represor, con dos centros activos.

Por uno de ellos sería capaz de unirse al gen operador inhibiendo la síntesis de los ARNm codificados por los genes estructurales z, y

a. Por el otro centro activo podría unirse a la lactosa cuando la hubiese. La lactosa cambiaría laestructura del represor inactivándolo e impidiendo que éste pudiese unirse al gen operador. De esta manera los genes

estructurales se transcribirían produciéndose la síntesis de las tres enzimas que metabolizan la lactosa en E. coli.

II) Los operones reprimibles.





Como es el caso de la regulación de los genes responsables de los

procesos de síntesis. Supongamos que la célula necesita produci

una determinada cantidad de una sustancia A y que no interesa que

haya un exceso de A ni que ésta falte. Supongamos también que

para sintetizar A se necesitan tres enzimas: a, b y c. En estos

casos, la proteína que actúa como represor del gen operador se

encuentra normalmente en estado inactivo, permitiendo que los

genes a, b y c se transcriban y que A se sintetice.

Cuando A alcanza unos niveles elevados, se une al represor,

activándolo. El represor activo se une al operador y los genes

estructurales a, b y c no se transcriben. Esto hace descender la

cantidad de A, con lo que el represor vuelve

a estar inactivo, los genes estructurales vuelven a traducirse y

vuelve a sintetizarse A. De esta manera la célula mantiene unas

determinadas cantidades de A.

Como se ve, se trata de un mecanismo que funciona como un termostato, manteniendo unos niveles adecuados de una

determinada sustancia, en este caso A, necesaria para la célula.





UNIDAD 5. TECNOLOGÍA

5.1. BIOTECNOLOGIA

Definición de Biotecnología

La biotecnología no es, en sí misma, una ciencia; es un enfoque multidisciplinario que involucra varias disciplinas y ciencias (biología

bioquímica, genética, virología, agronomía, ingeniería, química, medicina y veterinaria entre otras).

La Biotecnología puede definirse de muchas formas, pero quizás la más exacta y útil es la realizada por la OCDE Organización para laCooperación y el Desarrollo Económico: Un conjunto de técnicas que modifican organismos vivos (o parte de los mismos),transforman sustancias de origen orgánico o utilizan procesos biológicos para producir un nuevo conocimiento, o desarrollar productosy servicios.

Otra definición de la Comisión del Codex Alimentarius (CAC 2001a) (adaptada del Protocolo de Cartagena sobre Seguridad de laBiotecnología), se define a la biotecnología moderna como la aplicación de técnicas in vitro de ácido nucléico, incluido el ácidodesoxirribonucleico (ADN) recombinante y la inyección directa de ácido nucléico en células u orgánulos, o la fusión de células más alláde la familia taxonómica, que superan las barreras fisiológicas naturales de reproducción o recombinación y que no son técnicasutilizadas en la reproducción y selección tradicionales.

La principal diferencia entre esta actividad biotecnológica primitiva y la biotecnología moderna radica en que nuestros antepasados

utilizaban la observación para identificar qué variedades de levaduras eran más productivas o mejoraban la calidad del producto final

A raíz del descubrimiento de la estructura del ADN en la década de los 50 por Watson y Crick comienza a desarrollarse la tecnología

que permite identificar los genes responsables de las características de los diferentes organismos vivos y de sus procesos celulares,

permitiendo así seleccionar e incluso diseñar la levadura, ser vivo o molécula más indicada en función de la característica o proceso

deseado.

La historia de la biotecnología puede dividirse en cuatro períodos.

A.

El primero corresponde a la era anterior a Pasteur y sus comienzos se confunden con los de la humanidad. En esta épocala biotecnología se refiere a las prácticas empíricas de selección de plantas y animales y sus cruzas, y a la fermentacióncomo un proceso para preservar y enriquecer el contenido proteínico de los alimentos. Este período se extiende hasta lasegunda mitad del siglo XIX y se caracteriza como la aplicación artesanal de una experiencia resultante de la práctica diaria.Era tecnología sin ciencia subyacente en su acepción moderna.

B. La segunda era biotecnológica comienza con la identificación, por Pasteur, de los microorganismos como causa de lafermentación y el siguiente descubrimiento por parte de Buchner de la capacidad de las enzimas, extraídas de las levadurasde convertir azúcares en alcohol. Estos desarrollos dieron un gran impulso a la aplicación de las técnicas de fermentación enla industria alimenticia y al desarrollo industrial de productos como las levaduras, los ácidos cítricos y lácticos y, finalmente, adesarrollo de una industria química para la producción de acetona, "butanol" y glicerol, mediante el uso de bacterias.

C. La tercera época en la historia de la biotecnología se caracteriza por desarrollos en cierto sentido opuestos, ya que por un

lado la expansión vertiginosa de la industria petroquímica tiende a desplazar los procesos biotecnológicos de la fermentaciónpero por otro, el descubrimiento de la penicilina por Fleming en 1928, sentaría las bases para la producción en granescala de antibióticos, a partir de la década de los años cuarenta. Un segundo desarrollo importante de esa época es elcomienzo, en la década de los años treinta, de la aplicación de variedades híbridas en la zona maicera de los EstadosUnidos ("corn belt"), con espectaculares incrementos en la producción por hectárea, iniciándose así el camino hacia la"revolución verde" que alcanzaría su apogeo 30 años más tarde.

D. La cuarta era de la biotecnología es la actual. Se inicia con el descubrimiento de la doble estructura axial del ácido"deoxi-ribonucleico" (ADN) por Crick y Watson en 1953, seguido por los procesos que permiten la inmovilización de las





El término DNA recombinante hace referencia a la creación de nuevas combinaciones de segmentos o de moléculas de DNA que nose encuentran juntas de manera natural. Aunque el proceso genético de la recombinación produce DNA recombinante, este términose reserva a las moléculas de DNA producidas por la unión de segmentos que provienen de diferentes fuentes biológicas.La tecnología del DNA recombinante utiliza técnicas que provienen de la bioquímica de los ácidos nucleicos unidas a metodologíasgenéricas desarrolladas originalmente para la investigación de bacterias y de virus. La utilización del DNA recombinante es unaherramienta poderosa para el aislamiento de poblaciones puras de secuencias específicas de DNA a partir de una población desecuencias mezcladas. Los procedimientosbásicos incluyen una serie de pasos:

1 Los fragmentos de DNA se generan utilizando unas enzimas denominadas endonucleasas de restricciónque reconocen y cortan las moléculas de DNA por secuencias nucleotídicas específicas.

2 Los fragmentos producidos mediante la digestión con enzimas de restricción se unen a otras moléculasde DNA que sirven de vectores. Los vectores pueden replicarse autónomamente en una célula huésped yfacilitan la manipulación de la molécula de DNA recombinante recién creada.

3 La molécula de DNA recombinante, formada por un vector que lleva un segmento de DNA insertado, setransfiere a una célula huésped. Dentro de esta célula, la molécula de DNA recombinante se replica,produciendo docenas de copias idénticas conocidas como ―clones‖.

4 Al replicarse las células huésped, las células descendientes heredan el DNA recombinante, creándoseuna población de células idénticas, que llevan todas la secuencia clonada.

5 Los segmentos de DNA clonados pueden recuperarse de las células huésped, purificarse y analizarse.6 Potencialmente, el DNA clonado puede transcribirse, su mRNA puede traducirse, y el producto génico

puede aislarse y examinarse.

Fabricación del DNA recombinante.





El desarrollo de las técnicas de DNA recombinante ofrece nuevas oportunidades para la investigación, ya que simplifica la obtenciónde grandes cantidades de DNA que codifican genes específicos, y facilita las investigaciones de la organización, estructura yexpresión génicas.Esta metodología también ha dado un impulso al desarrollo de la naciente industria biotecnológica, que está suministrando un númerocreciente de productos al mercado. El DNA recombinante produce grandes cantidades de copias de segmentos de DNA específicos,incluyendo genes.

Enzimas de restricción.

La piedra angular de la tecnología del DNA recombinante es un tipo de enzimas denominadas endonucleasas de restricción. Estasenzimas, aisladas en bacterias, reciben este nombre debido a que limitan o previenen las infecciones víricas degradando el ácidonucleico invasor. Las enzimas de restricción reconocen una secuencia específica de nucleótidos (denominada sitio de restricción) deuna molécula de DNA de doble cadena, y cortan el DNA por esa secuencia. El premio Nobel de 1978 se otorgó a Werner Arber,Hamilton Smith y Daniel Nathans por su investigación sobre las enzimas de restricción. Hasta la fecha, se han aislado y caracterizadocasi 200 tipos de enzimas de restricción diferentes.

La enzima de restricción EcoRI reconoce y se une a la secuencia palindrómica GAATTC. El corte del DNA en este sitio produce colasde cadena sencilla complementarias. Las colas de cadena sencilla resultantes pueden unirse con colas complementarias de otrosfragmentos de DNA para formar moléculas de DNA recombinante.

Las enzimas de restricción se denominan según el organismo en el que se descubrieron, utilizando un sistema alfanumérico. Laenzima EcoRI proviene de Escherichia coli; HindIII se descubrió en Hemophilus influenzae. Hay dos tipos de enzimas de restricción:

1 Las enzimas de Tipo I cortan las dos cadenas del DNA en una posición aleatoria a cierta distancia del sitio de restricción. No

se utilizan normalmente en la investigación de DNA recombinante ya que el sitio de corte no es preciso.

2

Las enzimas de Tipo II reconocen una secuencia específica y cortan las dos cadenas de la molécula de DNA con absolutaprecisión dentro de la secuencia reconocida. Se usan ampliamente en investigación de DNA recombinante puesto que cortan

en sitios específicos. Las secuencias reconocidas por las enzimas de Tipo II son simétricas (―palindrómicas‖), es decir, la

secuencia de una de las cadenas leída en dirección 5' 3' es la misma que la secuencia de la cadena complementaria leída

también en dirección 5' 3'. La enzima EcoRI corta las cadenas de manera escalonada dentro del sitio de reconocimiento,

dejando extremos de cadena sencilla. Estas colas, que tienen secuencias nucleotídicas idénticas, son ―pegajosas

(cohesivas), ya que pueden unirse a colas complementarias de otros fragmentos de DNA mediante puentes de hidrógeno. S

moléculas de DNA de diferente origen comparten los mismos sitios de reconocimiento palindrómicos, ambas tendrán colas

complementarias de cadena sencilla cuando se traten con una endonucleasa de restricción. Si estos fragmentos se ponen juntos bajo determinadas condiciones, los fragmentos de DNA de distinto origen pueden formar moléculas recombinantes

estableciendo puentes de hidrógeno entre los extremos cohesivos. Luego se utiliza la enzima DNA ligasa para unir

covalentemente los esqueletos azúcar-fosfato de los dos fragmentos, produciéndose así una molécula de DNA recombinante





Para formar moléculas de DNA recombinante, se corta DNA de distintas fuentes con EcoRI y se mezcla para quese unan formando moléculas recombinantes. Despuésse utiliza la enzima DNA ligasa para unirlos covalentemente en moléculas de DNA recombinante.





Algunas enzimas de restricción comunes, con sus sitios de reconocimiento y de corte, el patrón de corte y la fuente deorigen.

Otras enzimas de restricción de Tipo II, como SmaI, cortan el DNA formando fragmentos romos. Los fragmentos de DNA con extremosromos (cuando los enlaces rotos coinciden) también pueden unirse y formar moléculas recombinantes, pero primero debenmodificarse. La enzima desoxinucleotidil transferasa terminal se

utiliza para crear extremos de cadena sencilla mediante la adición de «colas» de nucleótidos. Si a uno de los DNA se le añade unacola de poli-dA, y al otro DNA se le añade una cola de poli-dT, se forman colas complementarias, y los fragmentos pueden unirsemediante puentes de hidrógeno. Entonces, por ligación, pueden formarse moléculas recombinantes.

Las moléculas de DNA recombinante pueden formarse a partir DNA cortado con enzimas que dejan extremos romos. En este métodose utiliza la enzima desoxinucleotidil transferasa terminal para crear colas complementarias mediante la adición de fragmentos de polidA y de poli-dT.Estas colas sirven para unir el DNA de diferentes fuentes y para crear moléculas de DNA recombinante, que son unidascovalentemente por tratamiento con la DNA ligasa.

Vectores

Después de unirse a un vector o vehículo de clonación, un segmento de DNA puede llegar a entrar en una célula huésped y replicarseo clonarse. Los vectores son, esencialmente, moléculas de DNA transportadoras. Para servir de vector, una molécula de DNA debetener unas determinadas características:

Debe poder replicarse independientemente junto con el segmento de DNA que transporta. Debe contener algunos sitios de corte para enzimas de restricción, presentes sólo una vez en el vector

Estos sitios de restricción se cortan con una enzima de restricción y se utilizan para insertar segmentos deDNA cortados con la misma enzima.

Debe tener algún marcador de selección (normalmente genes de resistencia a antibióticos o genes deenzimas que la célula huésped no tiene) para poder distinguir las células huésped que transportan el vectode las que no lo contienen.

El vector de la célula huésped debe ser fácil de recuperar.





Actualmente se utilizan tres tipos principales de vectores: los plásmidos, los bacteriófagos y los cósmidos.

1 Plásmidos.Los plásmidos son moléculas de DNA de doble cadena extracromosómicas de origen natural que tienen un origende replicación (ori+) y que se replican autónomamente en las células bacterianas. Para poder utilizarlos en ingenieríagenética, se han modificado o diseñado muchos plásmidos de manera que contengan un número limitado de sitiosde restricción y genes de resistencia a antibiótico s específicos.El vector pBR322 fue uno de los primeros plásmidos diseñados que se utilizó en DNA recombinante. Este plásmidotiene un origen de replicación (ori+), dos genes de selección (resistencia a los antibióticos ampicilina y tetraciclina), yalgunos sitios de restricción únicos.

Mapa de restricción delplásmido pBR322, quemuestra laslocalizaciones de lossitios de las enzimas derestricción que cortan elplásmido por un solositio. Estos sitios puedenutilizarse para insertar

los fragmentos de DNA aclonar. También semuestran laslocalizaciones de losgenes de resistencia aantibióticos.

Dentro del gen de resistencia a tetraciclina hay sitios de restricción únicos para las enzimas BamHI, SphI, SalI, XmaIII y NruI, y dentrodel gen de resistencia a ampicilina hay sitios de restricción únicos para las enzimas RruI, PvuI y PstI. Si se introduce pBR322 en una

célula bacteriana sin plásmidos y sensible a antibióticos, la célula se convertirá en resistente a la tetraciclina y a la ampicilina. Si seinserta un fragmento de DNA en los sitios de restricción RruI, PvuI, o PstI, se inactivará el gen de resistencia a ampicilina, pero el gende resistencia a tetraciclina seguirá activo. Si este plásmido recombinante se transfiere a una célula bacteriana que no contengaplásmidos, las células que contengan el plásmido recombinante podrán identificarse, ya que serán resistentes a tetraciclina ysensibles a ampicilina.

Con el paso del tiempo se han desarrollado vectores plasmídicos más sofisticados, que ofrecen diversas características útiles. Uno deestos plásmidos, que deriva de pBR322, es el pUC18, que tiene las siguientes características:

1. El plásmido tiene la mitad de tamaño que pBR322, lo que permite insertar fragmentos de DNA más largos.





2. pUC18 se replica produciendo unas 500 copias por célula, lo que significa unas 5 ó 10 veces más que las que producepBR322.

3. Tiene un gran número de sitios de restricción únicos, agrupados en una región denominada sitio de clonación múltiple(poliylinker).

4. El plásmido contiene un fragmento de un gen bacteriano denominado lacZ, y el sitio de clonación múltiple está insertadodentro de éste fragmento del gen. El gen lacZ normal codifica la ß-galactosidasa, enzima que corta moléculas de azúcar

Cuando pUC18 se introduce en una célula huésped bacteriana que tiene el gen lacZ mutante, se produce ß-galactosidasafuncional. La presencia de ß –galactosidasa funcional en una colonia bacteriana puede detectarse mediante un ensayocolorimétrico. Las células bacterianas que contienen pUC18 forman colonias de color azul cuando crecen en un medio quecontiene una sustancia denominada X-gal. Si hay DNA insertado en el sitio de clonación múltiple, se interrumpe el gen lacZ yse forman colonias blancas. Las colonias blancas, resistentes a ampicilina, contienen plásmidos con DNA insertado.

El plásmido pUC18 ofrecevarias ventajas como vectorde clonación. Debido a su

pequeño tamaño, puedeaceptar fragmentos de DNArelativamente grandes; sereplica hasta un alto númerode copias, y tiene un grannúmero de sitios derestricción en el sitio declonación múltiple,localizado dentro del genlacZ. Las bacterias quecontienen pUC18 producencolonias de color azul si

crecen en un medio quecontenga X-gal. El DNAinsertado en el sitio declonación múltipleinterrumpe el gen lacZ,resultando en colonias blancas, lo que permite la identificación directa de las colonias que tienen insertos de DNAclonados.

Bacteriófagos lambda (fago λ) y M13.

Lambda es un bacteriófago muy utilizado en experimentos de DNA recombinante. Se han identificado y cartografiado todos los genesde lambda, y se conoce toda la secuencia nucleotídica de su genoma. El tercio central de su cromosoma es prescindible, y puede

reemplazarse por DNA exógeno sin afectar la capacidad del fago para infectar células y formar calvas. Se han desarrollado más de100 vectores basados en el fago lambda, eliminando diversas porciones del grupo génico central.Para clonar utilizando el fago lambda, se corta el DNA del fago con una enzima de restricción (por ejemplo, EcoRI), lo que produce unbrazo izquierdo, un brazo derecho y una región central. Se aíslan los brazos y se ligan (utilizando la DNA ligasa) a un segmento deDNA obtenido tras cortar DNA genómico con la misma enzima de restricción (en este ejemplo, con EcoRI).

Las moléculas recombinantes resultantes pueden introducirse en células huésped bacterianas por transfección. Primero, sepermeabilizan las células huésped mediante un tratamiento químico, y se mezclan con las moléculas ligadas. Los vectores quecontienen el inserto entran en las células huésped, donde dirigen la síntesis de fagos infectivos, llevando cada uno de ellos el inserto





de DNA. Como alternativa, se mezcla el DNA de lambda que contiene el inserto con los componentes proteicos del fago; de estamezcla se forman partículas fágicas infectivas. Los fagos pueden amplificarse haciéndolos crecer en placas sembradas con bacteriasdonde se formarán calvas, o bien infectando células en un medio líquido y recogiendo las células lisadas.

Pasos en la clonación utilizando el fagolambda como vector

. Se extrae el DNA de una preparación de

fago lambda y se elimina el grupo centra

de genes por tratamiento con una enzima

de restricción. El DNA a clonar se corta

con la misma enzima y se liga entre los

brazos del cromosoma de lambda. Luego

se empaqueta el cromosoma

recombinante dentro de las proteínas de

fago para formar un virus recombinante

Este virus puede infectar células

bacterianas y replicar su cromosoma

incluido el inserto de DNA.





También se utilizan otrosbacteriófagos como vectores, entrelos que destaca el fago de cadena

sencilla M13. Cuando M13 infecta auna célula bacteriana, la cadenasencilla (cadena +) se replica yproduce una molécula de doblecadena denominada formareplicativa (RF). Las moléculas RFpueden considerarse similares a losplásmidos, pudiéndose insertar DNAexógeno en sitios de restricciónúnicos presentes en el DNA defago. Cuando se reinsertan encélulas bacterianas, las moléculasRF se replican y producen cadenassencillas (+), en las que hay unacadena del DNA insertado. La célulahace salir los clones de DNA decadena sencilla que produce M13

que pueden recuperarse y utilizarse directamente para su secuenciación, o como molde para alteraciones mutacionales de lasecuencia clonada.

Los cósmidos y los vectores transbordadores

Los cósmidos son vectores híbridos construidos utilizando partes del cromosoma del fago lambda y de DNA plasmídico. Los cósmidoscontienen la secuencia ―cos‖ del fago lambda, necesaria para el empaquetamiento del DNA del fago dentro de su cubierta proteica, ysecuencias plasmídicas de replicación y de genes de resistencia a antibióticos, que permiten identificar las células huésped que loscontienen. El DNA de los cósmidos que contiene insertos de DNA se empaqueta en la cápside proteica de lambda para formarpartículas fágicas infectivas. Una vez el cósmido entra en la célula huésped, se replica como un plásmido. Puesto que la mayoría degenoma delambda se ha delecionado, los cósmidos pueden transportar insertos de DNA mucho más grandes que los que lambda puede llevar.Los cósmidos pueden transportar casi 50kb de DNA insertado, mientras que los vectores fágicos pueden acomodar insertos de DNAde unas 15kb y los plásmidos generalmente están limitados a insertos de 5-10kb.





El cósmido pJBS contiene un origende replicación bacteriano (ori), un solositio cos, un gen de resistencia aampicilina (ampR, para seleccionar lascolonias que han incorporado ecósmido), y una región que contienecuatro sitios de restricción para laclonación (BamHI, EcoRI, ClaI yHindlll). Puesto que el vector espequeño (5,4kb de longitud), puedeaceptar segmentos de DNA exógenode 33 a 46kb de longitud. El sitio cospermite que el cósmido que contengaun inserto grande se empaquete conproteínas de cubierta vírica de lambdacomo si fuesen cromosomas víricosLas cubiertas víricas que contienen uncósmido pueden utilizarse parainfectar células huésped adecuadas, yel vector, que transporta el inserto deDNA, se transferirá a la célulahuésped. Una vez dentro, la secuencia―ori‖ permite que el cósmido sereplique como un plásmido bacteriano.

Existen otros vectores híbridos, construidos con orígenes de replicación provenientes de distintas fuentes (por ejemplo, plásmidos yvirus animales como SV40), que pueden replicarse en más de un tipo de célula huésped. Generalmente, estos vectorestransbordadores contienen marcadores genéticos que permiten su selección en los dos sistemas huésped, y pueden utilizarse paratransportar insertos de DNA entre E.coli y otras células huésped, como levadura, y viceversa. A menudo, estos vectores se emplean

para investigar la expresión génica.





Pasos en la clonación utilizando cósmidos como vectores.

Cromosomas artificiales bacterianos.

Para cartografiar y analizar genomas eucarióticos complejos, se ha desarrollado un vector multiuso denominado cromosoma artificiabacteriano (BAC) basado en el factor F de bacterias. El factor F es un plásmido que se replica independientemente y que estáimplicado en la transferencia de información genética durante la conjugación bacteriana. Puesto que los factores F pueden transportafragmentos del cromosoma bacteriano de hasta 1Mb, han sido diseñados para que funcionen como vectores de DNA eucariótico. Losvectores BAC tienen los genes de replicación y de número de copias del factor F, e incorporan un marcador de resistencia a unantibiótico y sitios de restricciónpara insertar el DNA exógeno que se desee donar. Además, el sitio de donación está flanqueado porregiones promotoras que pueden utilizarse para generar moléculas de RNA y expresar así el gen donado, o para utilizadas comosonda para paseo cromosómico, y para secuenciar el DNA del inserto clonado.





La transformación en Haemophilus influenzae, una bacteria gramnegativa, difiere de la de S.pneumoniae en diversos aspectos.Haemophilus no produce un factor de competencia para estimular el desarrollo de competencia, y sólo capta el DNA procedente deespecies estrechamente relacionadas. El DNA bicatenario forma complejos con proteínas y es captado por vesículas de membrana.La especificidad de la transformación de Haemophilus se debe a una secuencia especial de pares de bases (5'-AAGTGCGGTCA-3')que se repite unas 1.400 veces en el DNA de H.influenzae. El DNA debe contener esta secuencia para que una célula competente seuna a él.

Transformación artificial con plásmidos.

La transformación artificial se lleva a cabo en el laboratorio mediante diversas técnicas, entreellas el tratamiento de las células con cloruro cálcico, que aumenta la permeabilidad de susmembranas al DNA. Este enfoque tiene éxito incluso con especies que no son competentes deforma natural, como E.coli. Para aumentar la frecuencia de transformación se utilizan

concentraciones relativamente más altas de DNA, superiores a las que están presentes encondiciones normales en la naturaleza. Cuando se utilizan para la transformación fragmentoslineales de DNA, suele hacerse que E.coli pierda la actividad de una o más exonucleasas con efin de proteger los fragmentos transformantes. Resulta más sencillo transformar bacterias conDNA de plásmido, ya que los plásmidos no se degradan con tanta facilidad como losfragmentos lineales y son capaces de replicarse dentro del huésped. Éste es un métodohabitual para introducir DNA recombinante en las células bacterianas. Puede introducirse DNAde cualquier fuente en las bacterias insertándolo en un plásmido antes de la transformación.

Transducción.

Los virus bacterianos o bacteriófagos participan en otra modalidad de transferencia génica bacteriana. Estos virus tienen estructurasrelativamente sencillas en las que el material genético del virus está incluido dentro de una cubierta externa, compuestaprincipalmente o exclusivamente de proteínas. La cubierta protege el genoma y lo transmite entre células huésped.

Después de infectar la célula huésped, un bacteriófago a menudo toma el control y obliga al huésped a fabricar numerosas copias devirus. Finalmente la bacteria huésped estalla o se lisa y libera los nuevos fagos. Este ciclo reproductor se denomina ciclo lítico porqueconcluye con la lisis del huésped. Consta de cuatro fases:

A.

En la primera, la partícula viral se fija a un sitio receptor específico de la superficie bacteriana.B. En la segunda, el material genético del virus que con frecuencia es DNA bicatenario, penetra entonces en la célula. Tras la

adsorción y la penetración, el cromosoma viral obliga a la bacteria a fabricar ácidos nucleicos y proteínas del virus.

C. La tercera fase comienza tras la síntesis de los componentes virales. Se ensamblan fagos a partir de estos componentes. E

proceso de ensamblaje puede ser complejo, pero en todos los casos el ácido nucleico se introduce (―se empaqueta‖) en la

cápside proteica viral.





D. Finalmente, los virus maduros son liberados al medio mediante la lisis de la célula huésped.

Los virus bacterianos que se reproducen mediante un ciclo lítico a menudo se denominan bacteriófagos virulentos porque destruyen lacélula huésped. Muchos fagos DNA, como el fago lambda, también son capaces de establecer una relación diferente con su huéspedTras la adsorción y la penetración, el genoma viral no toma el control de su huésped ni lo destruye, al tiempo que produce nuevosfagos. En cambio, el genoma permanece en el interior de la célula huésped y se reproduce junto con el cromosoma bacteriano. Se

origina un clon de células infectadas que puede crecer durante un largo período con apariencia totalmente normal. Cada una de estascélulas infectadas es capaz de producir fagos y lisarse bajo las condiciones ambientales apropiadas. Esta relación entre el fago y ehuésped se denomina ―lisogenia‖.

La forma latente del genoma viral que permanece en el interior de la célula huésped sin destruirla se denomina ―profago‖ y suele estaintegrado en elgenoma bacteriano. En ocasiones, la producción de fagos se activa en un cultivo de bacterias lisógenas mediante la exposición aradiación UV u otros factores. Las células lisógenas son destruidas y se liberan nuevos fagos. Este fenómeno se denomina―inducción‖.

Por lo tanto, la transducción natural es la transferencia de genes bacterianos por medio de virus. Se produce la incorporación degenes bacterianos al interior de la cápside de un fago a consecuencia de errores cometidos durante el ciclo vital del virus. El virus que

contiene estos genes los inyecta a continuación en otra bacteria, completando de esta forma la transferencia. La transducción es elmecanismo más frecuente de intercambio y recombinación génica en las bacterias.

Se distinguen dos tipos muy diferentes de transducción:

1 Generalizada. Ocurre durante el ciclo lítico de fagos virulentos y atemperados, y es capaz de transferir cualquier parte degenoma bacteriano. Durante la fase de ensamblaje, cuando los cromosomas virales son empaquetados en el interior decápsides proteicas pueden quedar encapsidados fragmentos del cromosoma bacteriano parcialmente degradado. Puesto quela cápside sólo puede contener una cantidad limitada de DNA, el DNA del virus no se incorpora a la cápside, y sólo quedaincluido en ella el DNA bacteriano. La cantidad de DNA bacteriano transportada depende principalmente del tamaño de lacápside.

2

Especializada. En ella la partícula transductora transporta sólo porciones específicas del genoma bacteriano. Latransducción especializada es posible a consecuencia de un error durante el ciclo vital lisogénico. Cuando se induce a unfago a abandonar el cromosoma de la célula huésped, en ocasiones la escisión se realiza de forma incorrecta. El genoma defago resultante contiene porciones del cromosoma bacteriano (aproximadamente, entre el 5 y el 10 % del DNA bacteriano)adyacentes al sitio de integración. El genoma del fago originado en la transducción suele ser defectuoso y carece de algunaparte de su sitio de fijación. La partícula transductora inyecta los genes virales a otra bacteria, aunque el fago defectuoso noes capaz de reproducirse sin ayuda. Los genes bacterianos pueden quedar incorporados de forma estable en las condicionesadecuadas. El ejemplo mejor estudiado de transducción especializada es el fago lambda.

Clonación de DNA en Escherichia coli .

Para replicar el DNA clonado se pueden utilizar distintos tipos de célula huésped. Uno de los huéspedes más utilizados es la cepade laboratorio K12 de E.coli. Ésta y otras cepas de E.coli se utilizan como huésped ya que están bien caracterizadasgenéticamente y pueden aceptar un amplio espectro de vectores, incluyendo los plásmidos, los fagos y los cósmidos.

Para crear moléculas de DNA recombinante se precisan varios pasos. Si se utiliza un plásmido como vector, elprocedimiento es el siguiente:

1º El DNA que se va a clonar se aísla y se trata con una enzima de restricción para crear fragmentos que acaben ensecuencias específicas.





2º Estos fragmentos se ligan a moléculas de plásmido que han sido cortadas con la misma enzima de restricción, obteniéndoseun vectorrecombinante.

3º El vector recombinante se transfiere a células huésped bacterianas, generalmente por transformación, un proceso en el quelas moléculas de DNA cruzan la membrana de la célula huésped transfiriéndose a su interior.

4º La célula huésped se hace crecer en una placa de cultivo, donde formará colonias. Puesto que las células de cada una de lascolonias provienen de una sola célula inicial, todas las células de la colonia, y los plásmidos que contienen, son genéticamenteidénticas, o clones. Se rastrean las colonias para identificar las que han incorporado el plásmido recombinante.

La cepa de E.coli huésped carece de enzimas de restricción y es recA- (carece del gen que codifica la proteína RecA, unaATPasa necesaria paralos procesos de recombinación genética), con objeto de reducir las posibilidades de que el DNA recombinante sufrarecombinación con el cromosoma de la célula huésped. Bacillus subtilis y la levadura Saccharomyces cerevisiae también puedenactuar de huéspedes. Como se volverá a mencionar a lo largo de este documento, los vectores plasmídicos penetran en lascélulas de E.coli mediante un proceso de transformación inducido por cloruro cálcico o mediante electroporación a 3-24 kV /cm,que es eficaz en bacterias tanto grampositivas como gramnegativas.

Resumen de los pasos seguidos en la clonación de un vector plasmídico.

Los vectores plasmídicos se aíslan y se cortan con una enzima de restricción. El DNA a clonar se corta con la misma enzima derestricción, produciendo una colección de fragmentos. Estos fragmentos se reparten entre los vectores y se transfieren a huéspedesbacterianos para su replicación. Las células bacterianas que contienen plásmidos pueden identificarse por crecimiento en un medioselectivo, y pueden aislarse. El DNA clonado puede recuperarse del huésped bacteriano para nuevos análisis.

Se utilizan varios métodos para seleccionar las colonias que contienen plásmidos con el inserto de DNA. Este proceso se denomina―rastreo‖ (o ―cribado‖). Para vectores como pBR322, el rastreo es un proceso que consiste en dos etapas:

1a.

Por ejemplo, si el DNA que se desea clonar se inserta dentro del gen de resistencia a tetraciclina, este gen se inactivará.Después de transformar células huésped con el plásmido recombinante, éstas se hacen crecer en placas de cultivo quecontienen el antibiótico ampicilina. Todas las células que hayan incorporado un plásmido (con o sin inserto) crecerán yformarán colonias, mientras que las células que no lo hayan incorporado morirán ya que son sensibles a la ampicilina.

2a. En el segundo paso, se identifican las colonias que contienen plásmidos con el inserto de DNA. En este paso, se transfierenlas colonias de la placa que contiene ampicilina a una placa que contiene tetraciclina mediante un procedimiento denominado―réplica‖. Las colonias que contienen el plásmido con el inserto no crecerán en la placa con tetraciclina, debido a que einserto ha inactivado el gen de resistencia a tetraciclina. Entonces, el patrón de colonias de la placa con tetraciclina secompara con el de la placa con ampicilina, y se identifican las colonias de la placa con ampicilina que no han crecido en la





placa con tetraciclina. Las células de estas colonias contienen vectores con el inserto de DNA, y se transfieren a un medio decrecimiento para nuevos análisis.

Clonación en huéspedes eucarióticos

Hemos descrito la utilización de E.coli como huésped para la clonación. También pueden utilizarse otras especies de bacterias comohuéspedes, como B.subtilis y Streptomyces. Estos sistemas huésped bacterianos y sus vectores son parecidos a los descritos paraE.coli. Sin embargo, para estudiar la expresión y regulación de los genes eucarióticos, a menudo es conveniente e incluso necesarioutilizar huéspedes eucarióticos. Se han desarrollado varios sistemas de clonación utilizando huéspedes eucarióticos.

Vectores de levadura.

Aunque la levadura es un organismo eucariótico, puede manipularse y crecer de manera parecida a las células bacterianas. Además,la genética de las levaduras se ha investigado exhaustivamente, lo que ha proporcionado un gran catálogo de mutaciones y unosmapas genéticos altamente detallados de sus cromosomas. En levadura hay un plásmido de origen natural, denominado ―plásmido 2micras‖ (o ―plásmido 2μ‖), que se ha utilizado para construir varios vectores de clonación para levadura. Combinando secuencias deplásmidos bacterianos con secuencias del plásmido 2 micras, se pueden producir vectores con muchas propiedades útiles.

Cromosomas artificiales de levadura.

Un segundo tipo de vector de levadura es el cromosoma artificial de levadura (YAC, del inglés ―yeast artificial chromosome‖). De tipolineal, un YAC contiene telómeros de levadura en cada extremo, un origen de replicación (denominado secuencia de replicaciónautónoma o ARS), y un centrómero de levadura que permite la distribución del YAC replicado a las células hija durante la divisióncelular. El YAC también contiene un marcador de selección en cada brazo (TRP1 y URA3), y un grupo de sitios de restricción únicospara insertar DNA.





Clonación en un cromosoma artificial de levadura (YAC). Ecromosoma contiene secuencias teloméricas (TEL) provenientesde un protozoo ciliado, Tetrahymena, un centró mero (CEN), y unorigen de replicación (ARS).

Estos elementos dan al vector de clonación las propiedades de uncromosoma. TRPI y URA3 son genes de levadura que sonmarcadores de selección para los brazos izquierdo y derecho decromosoma,respectivamente. Cerca del centrómero hay una región quecontiene varios sitios de restricción. Si se corta esta región conuna enzima de restricción se rompe el cromosoma en dos brazosEl DNA a clonar se trata con la misma enzima, produciendo unacolección de fragmentos.

Los brazos y los fragmentos pueden ligarse juntos, y ecromosoma artificial puede insertarse en células huésped delevadura. Como los cromosomas de levadura son grandes, ecromosoma artificial puede aceptar insertos de hasta variosmillones de pares de bases.

En los YAC pueden insertarse segmentos de DNA de más de 1megabase de longitud (1 Mb). La capacidad de clonar grandes

trozos de DNA en estos vectores los ha convertido en herramientas importantes para construir mapas físicos de genomaseucarióticos, incluyendo el genoma humano. Muchas de las investigaciones del Proyecto Genoma Humano han dependido de lautilización de vectores YAC.

Aunque la clonación en levaduras es uno de los sistemas actuales de huésped eucariótico más avanzado, también se estándesarrollando otros huéspedes fúngicos. Además, otros sistemas huésped eucarióticos, entre los que se incluyen cultivos tisulares decélulas de plantas y de mamíferos, son muy prometedores.

Construcción de bibliotecas de DNA

Puesto que cada segmento de DNA clonado es relativamente pequeño, deben construirse muchos clones diferentes para incluir todaslas pequeñas porciones del genoma de un organismo. El conjunto clonado de todas las secuencias genómicas de un sólo individuo sedenomina biblioteca. Las bibliotecas clonadas pueden provenir del genoma completo de un individuo, del DNA de un solocromosoma, o del conjunto de genes transcripcionalmente activos en un único tipo celular.

Bibliotecas genómicas.

Las bibliotecas genómicas (o genotecas) suelen construirse utilizando vectores fágicos, que pueden contener grandes fragmentoscromosómicos. Para preparar una biblioteca en el fago lambda, se corta el DNA de lambda con una enzima de restricción paraeliminar el grupo génico central, tal y como se ha comentado anteriormente. El DNA genómico que se desea clonar se corta con lamisma enzima, y se purifican los fragmentos cortados de tamaño óptimo para el empaquetamiento (de 15 a 17kb) mediante unaelectroforesis en gel o por centrifugación. Estos fragmentos de DNA se ligan con los brazos del cromosoma de lambda para formar labiblioteca.





Mutagénesis dirigida.

Los avances en las técnicas de síntesis de DNA han acelerado los progresos experimentados en el estudio de las funciones de lasproteínas y de la expresión génica. Una de las formas más efectiva de estudiar la relación entre la estructura y la función proteicasconsiste en alterar una porción determinada de la proteína y observar los cambios funcionales que se producen. Hasta hace unosaños, esto se realizaba mediante la modificación química de aminoácidos individuales o mediante inducción de mutaciones en el gen

que codifica la proteína objeto de estudio. Sin embargo, la modificación química de una proteína no siempre es especifica, ya quepueden verse alterados varios aminoácidos y no sólo el que se desea alterar; por otro lado, hasta hace unos años no siempre eraposible producir la mutación adecuadaen la localización del gen que se deseaba.

Estas dificultades han sido superadas en los últimos años gracias a la técnica de la mutagénesis dirigida; en ella se sintetiza unoligonucleótido de unas 20 bases que contiene el cambio de secuencia deseado. Posteriormente se permite que dicho oligonucleótidoalterado con la mutación objeto de estudio hibride con una copia monocatenaria del gen salvaje original completo; posteriormente seamplifica el complejo mediante PCR (Reacción en Cadena de Polimerasa), con lo que la polimerasa extiende el olignucleótido y copiael resto del gen diana para producir una nueva copia del gen con la mutación deseada. Si unimos el gen a un fago de DNAmonocatenario como es el caso del fago M13, puede introducirse el gen mutado en una bacteria huésped y clonarse, con lo queobtendremos grandes cantidades de una proteína mutante para el estudio de su función.





Bibliotecas cromosómicas.

Una biblioteca construida a partir de una fracción genómica, como un cromosoma, puede ser muy valiosa para seleccionar genesespecíficos y para examinar la organización del cromosoma. Por ejemplo, se aisló por microdisección por láser un pequeño segmentodel cromosoma X de Drosophila correspondiente a una región de unas 50 bandas politénicas. Se extrajo el DNA de este fragmentocromosómico, se cortó con una endonucleasa de restricción, y se clonó en un vector lambda. Esta región del cromosoma contiene losgenes white, zeste y Notch, así como el sitio original de un elemento transponible que puede transponer un segmento cromosómico amás de un centenar de otros loci. Aunque puede ser técnicamente difícil, este procedimiento produce una biblioteca que contiene sólolos genes que nos interesan y sus secuencias adyacentes.

Bibliotecas de cDNA.

Se puede construir una biblioteca que represente los genes que se están transcribiendo en una célula eucariótica en un momentodado, utilizando el mRNA aislado de esa célula. Casi todas las moléculas de mRNA eucariótico tienen una cola de poli-A en suextremo 3'. Primero, se hibrida la población de moléculas de mRNA que tienen colas de poli-A 3' con oligo-dT (DNA corto de cadenasencilla formado sólo por desoxitimidina).

La secuencia de oligo-dT hibrida con la cola de poli-A, y sirve de cebador para la síntesis de una cadena complementaria de DNA

utilizando la enzima retrotranscriptasa. Esta enzima es una DNA polimerasa dependiente de RNA que copia un molde de RNA decadena sencilla en un DNA de cadena sencilla. El resultado es un dúplex RNA – DNA de doble cadena. La cadena de RNA se eliminatratándola con la enzima ribonucleasa H. Entonces, la cadena sencilla de DNA se utiliza como molde para sintetizar la cadenacomplementaria de DNA, utilizando la DNA polimerasa I.

El extremo 3' de la cadena sencilla de DNA se dobla sobre sí mismo formando una horquilla (un lazo), por lo que puede servir decebador para sintetizar la segunda cadena. El resultado es un DNA dúplex con las cadenas unidas por un extremo. La horquilla puedeabrirse utilizando la enzima nucleasa S1 obteniéndose una molécula de DNA de doble cadena (denominada DNA complementario ocDNA), cuya secuencia nudeotídica deriva de una molécula de RNA.

Si se añade un trozo corto de DNA con sitios de restricción en cada uno de sus extremos, el cDNA puede clonarse. Este sitio declonación puede cortarse con la enzima de restricción adecuada, produciendo extremos cohesivos, lo que permite que el cDNA se

inserte en el sitio de restricción de un vector plasmídico o fágico.

Una biblioteca de cDNA es diferente a una biblioteca genómica ya que representa sólo un subconjunto de todos los genes delgenoma, no contienen las secuencias promotoras adyacentes al gen y tampoco contienen los intrones, ya que éstos han sidoeliminados del pre-mRNA durante la maduración del mismo.

Métodos de análisis de las secuencias clonadas.

La identificación y recuperación de secuencias de DNA clonadas específicas es una herramienta poderosa para analizar la estructuray la función de los genes. Las técnicas que se describen en las próximas secciones se utilizan para responder a preguntasexperimentales de la organización y de la expresión de las secuencias clonadas.

Mapas de restricción.

Un mapa de restricción es la recopilación del número, del orden y de la distancia entre los sitios de corte de enzimas de restricción enun segmento clonado de DNA.Los mapas de restricción proporcionan información que puede utilizarse para subclonar fragmentos de un gen, o bien para comparala organización de un gen y de su cDNA con el fin de identificar los exones y los intrones en la copia genómica del gen.

Secuenciación de DNA.





En cierto sentido, la caracterización definitiva de un segmento de DNA clonado es la determinación de su secuencia de nucleótidos

La capacidad de secuenciar DNA clonado ha permitido grandes avances en el conocimiento de la estructura génica y de los

mecanismos de regulación. Aunque desde la década de los 40 hay técnicas que permiten determinar la composición de bases del

DNA, fue en la década de los 60 cuando se desarrollaron los métodos para determinar la secuencia de los nucleótidos. En 1965

Robert Holley determinó la secuencia de una molécula de tRNA que contenía 74 nucleótidos. Se necesitó un año de esfuerzo para

realizar este trabajo. En la década de los 70 se desarrollaron métodos más eficientes de secuenciación y, actualmente, en un

laboratorio de Biología Molecular, es posible secuenciar más de

1.000 bases en una semana.

Un método de secuenciación de DNA diseñado por Alan Maxam y Walter Gilbert utiliza productos químicos para cortar el DNA. Este

método se utilizó para determinar la secuencia de bases de los 4.362 nucleótidos del plásmido pBR322. El segundo método, que es e

que generalmente se utiliza, lo desarrollaron Frederick Sanger y sus colaboradores. El método de Sanger se basa en la elongación 5'

3' de las moléculas de DNA por la DNA polimerasa. Ambas estrategias generan un conjunto de moléculas de DNA de cadena

sencilla de diferentes longitudes. Para determinar la secuencia de los nucleótidos en un segmento de DNA, ambos métodos utilizan

una serie de cuatro reacciones, realizadas en tubos

separados. Estas secuencias, cuya diferencia en tamaño es de un solo nucleótido, se separan por electroforesis en gel en cuatro

carriles adyacentes. El resultado es una serie de bandas que forman un patrón parecido a una escalera. La secuencia puede leerse

directamente del patrón de bandas de los cuatro carriles. Los secuenciadores automáticos de DNA utilizan colorantes fluorescentes en

vez de sondas radioactivas. Se utilizan cuatro colorantes, produciendo un patrón de picos de colores que, al leerlos, proporcionan la

secuencia de DNA.





La secuenciación de DNA proporciona información de la organización de los genes y de los sucesos mutacionales que alteran a losgenes y a los productos génicos, confirmando la conclusión de que los genes y las proteínas son moléculas colineares. Lasecuenciación también se ha utilizado para examinar la organización de las regiones reguladoras que flanquean los genesprocarióticos y eucarióticos, y para deducir la secuencia de aminoácidos de las proteínas. El gen de la fibrosis quística (CF), unaenfermedad genética humana autosómica recesiva, se identificó clonando y secuenciando el DNA de una región del brazo largo decromosoma 7.

Transferencia de DNA a eucariotas.

Tanto las células animales como las vegetales pueden incorporar DNA del medio ambiente, proceso denominado transfección.Además, los vectores, incluyendo los YAC, pueden utilizarse para transferir DNA a células eucarióticas.

Células vegetales.

En los últimos años, se ha conseguido clonar utilizando plantas superiores como huésped y plásmidos bacterianos. La bacteriainfecciosa Agrobacterium tumifaciens, presente en el suelo, produce tumores (denominados agalla de la corona) en muchas especiesde plantas. La infección de las células normales por esta bacteria las transforma en células tumorales, y en las plantas dicotiledóneasdel tipo de la uva y las plantas decorativas se desarrollan ―tumoraciones en forma de agallas‖. Normalmente, el tumor se localiza cercade la unión de la raíz con el tallo de la planta. El tumor se origina debido a que los genes de la bacteria se insertan en el genoma delas células de la planta. Sólo son patógenas las cepas de A.tumefaciens que contienen un plásmido conjugativo de gran tamaño,denominado plásmido Ti.





Utilización del vector plasmídico Ti paraproducir plantas transgénicas. A la izquierdaformación de un vector declonación y su utilización en la transformaciónA la derecha, una planta del tabaco, Nicotianatabacum,convertida en bioluminiscente mediantetransfección con un vector plasmídico Tespecial que contiene el gen que codifica laluciferasa de la luciérnaga. Cuando se riega laplanta con una solución de luciferina, esustrato de la enzima luciferasa, la planta emiteluz.

Células de mamífero.

Las células de mamífero pueden incorporar DNA por distintos métodos, como:

• Electroporación.

Si se mezcla un conjunto de células con una preparación de DNA y a continuación se las expone brevemente a pulsos (deaproximadamente 250 a 4.000 V/cm para las células de mamífero), las células captan el DNA a través de poros temporales creadosen su membrana plasmática. Algunas de estas células sufrirán el proceso de transformación.

• Coprecipitación con fosfato cálcico y endocitosis.• Microproyectiles.

Una de las técnicas más eficaces consiste en disparar microproyectiles revestidos con DNA al interior de células vegetales y animalesLa pistola de genes, desarrollada inicialmente en la Universidad de Cornell (Nueva York), opera de forma similar a una pistola. Unaráfaga de aire comprimido dispara al interior de las células una salva de microproyectiles metálicos revestidos de DNA. Estedispositivo se ha utilizado para transformar maíz y producir plantas de maíz fértil que contienen genes foráneos. Otras pistolas utilizandescargas eléctricas o gas a alta presión para propulsar los proyectiles revestidos de DNA. Estas pistolas se han utilizado paratransformar microorganismos (levaduras, el moho Aspergillus y el alga Chlamydomonas), células de mamífero y diversas célulasvegetales (maíz, algodón, tabaco, cebolla y chopo).





• Encapsulación del DNA en membranas artificiales (liposomas) seguido de su fusión con membranas celulares.• Retrovirus.

Los virus se utilizan cada vez con mayor frecuencia para insertar los genes deseados en células eucariotas. Por ejemplo, puedeninsertarse genes en un retrovirus, que a continuación infecta la célula diana e integra una copia de DNA de su genoma RNA en elcromosoma de la célula huésped. Los adenovirus también pueden transferir genes a células animales. Los baculovirus recombinantesinfectan las células de insectos y promueven la producción de numerosas proteínas.

Aplicaciones de la tecnología del DNA recombinante.

La ingeniería genética y la biotecnología están contribuyendo y contribuirán aún mucho más en el futuro a la medicina, la industria y laagricultura, además de al campo de la investigación básica.

Aplicaciones en investigación y medicina.

Es evidente que la producción de proteínas de utilidad médica como la somatostatina, la insulina, la hormona del crecimiento humanay los interferones, es de gran importancia práctica. Por ejemplo, en el pasado, la hormona del crecimiento humana para el tratamientodel enanismo hipofisario se extraía de hipófisis obtenidas durante las autopsias y estaba disponible sólo en cantidades limitadas. Lainterleucina-2 (una proteína que ayuda a regular la respuesta inmunitaria) y el factor VIII de la coagulación se han clonado con éxito, ysin duda en el futuro se producirán otros importantes péptidos y proteínas. Un avance especialmente interesante es el uso de maíz ysoja transgénicos para producir anticuerpos monoclonales para uso médico. También puede ser posible utilizar plantas desarrolladasmediante ingeniería genética para producir vacunas orales.

Algunos péptidos y proteínas humanas sintetizadas medinte ingeniería genética.Péptido o proteína Uso potencialα1-antitripsina Tratamiento del enfisema α-, β-, γ-interferones Agentes antivirales, antitumorales

y antiinflamatorios

Factor VIII de la coagulación Tratamiento de la hemofiliaCalcitonina Tratamiento de la osteomalacia Factor de crecimiento epidérmico Tratamiento de las heridas Eritropoyetina Tratamiento de la anemia Hormona del crecimiento Promoción del crecimiento Insulina Tratamiento de la diabetes Interleucinas 1, 2 y 3 Tratamiento de trastornosinmunitarios y tumores Factor estimulante de colonias de macrófagos Tratamiento contra el cáncer Relaxina Auxiliar al parto Albúmina sérica Suplemento del plasma Somatostatina Tratamiento de la acromegalia Estreptoquinasa Anticoagulante

Activador del plasminógeno tisular Anticoagulante Factor de necrosis tumoral Tratamiento contra el cáncer Los ratones manipulados mediante ingeniería genética pueden producir anticuerpos monoclonales humanos. También se estándesarrollando vacunas sintéticas (por ejemplo, vacunas contra el paludismo y la rabia) mediante técnicas recombinantes. Ya seencuentra disponible también una vacuna recombinante contra la hepatitis B.

Podría estudiarse cualquier individuo para detectar la presencia de genes mutantes con sondas y técnicas de hibridación (inclusoantes del nacimiento si se utilizaran en conjunción con la amniocentesis). Puede ser posible aplicar a sujetos enfermos un tipo decirugía genética denominada terapia génica de células somáticas. Por ejemplo, sería posible retirar las células de un sujeto con una





enfermedad genética, cultivarlas y transformarlas con DNA clonado que contuviera una copia normal del gen o los genes defectuososEstas células podrían entonces volver a introducirse en el paciente; si se establecieran, la expresión de los genes normales podríacurar al sujeto. Recientemente un paciente con una enfermedad inmunodeficiente, que carecía de la enzima adenosina desaminasaresponsable de la destrucción de los subproductostóxicos del metabolismo ha recibido este tipo de tratamiento. Se extrajeron algunos de los linfocitos del paciente, se les introdujo egen que codifica la adenosina desaminasa utilizando un retrovirus modificado y se volvieron a introducir en el paciente.

Puede ser posible utilizar un retrovirus defectivo u otro virus para insertar directamente los genes adecuados en células huéspedquizá incluso en órganos o tejidos específicamente preseleccionados. Las toxinas de fusión proporcionan un tercer ejemplo deaplicaciones de ingeniería genética potencialmente importantes. Las primeras toxinas desarrolladas han sido proteínas recombinantesen las que se han combinado los dominios catalítico y de traslocación de membrana de la toxina diftérica con proteínas que se unenespecíficamente a los receptores de superficie de la célula diana.

El ganado parece estar destinado a desempeñar un papel importante en la biotecnología de orientación médica mediante el uso de unenfoque que en ocasiones ha recibido el nombre de ganadería molecular. Los embriones de cerdo en los que se inyectan genes quecodifican la hemoglobina humana se convierten en cerdos transgénicos que sintetizar hemoglobina humana. Los planes actualesconsisten en purificar la hemoglobina y utilizarla como sustitutivo de la sangre. Un solo cerdo podría aportar 20 unidades de sangrehumana al año. Técnicas relativamente similares a ésta han producido cabras transgénicas cuya leche contiene hasta 3 g/L deactivador tisular del plasminógeno humano. El activador tisular del plasminógeno (TPA) disuelve los coágulos sanguíneos y se utiliza

en el tratamiento de los pacientes con cardiopatías.

Terapia génica.

Los métodos de aislamiento y clonación de genes específicos desarrollados originalmente como una herramienta de investigación seestán utilizando actualmente para tratar enfermedades genéticas mediante transferencia de alelos normales humanos en un procesodenominado terapia génica. Durante décadas se han utilizado algunos productos genéticos, como la insulina, para tratamientosterapéuticos. La terapia génica lleva este proceso un paso más adelante, y persigue modificar el genoma de las células somáticastransfiriendo copias normales de genes para que produzcan cantidades adecuadas del producto génico normal, cuya acción corregiríala enfermedad genética. La expedición de estos genes estructurales y de sus secuencias reguladoras se consigue utilizando vectoreso sistemas de transferencia de genes.Pueden utilizarse diversos métodos para transferir genes y sus secuencias reguladoras a células humanas. Estos métodos incluyen la

utilización de vectores víricos, las transferencias asistidas químicamente que fomentan la transferencia de genes por las membranascelulares, y la fusión de células con vesículas artificiales que contienen secuencias clonadas de DNA.Actualmente, el método más común de transferencia de genes utiliza el virus de la leucemia murina de Maloney como vector paratransportar los genes a transferir. Se eliminan los genes gag, pol y env del virus, y se inserta el gen humano clonado. La construcciónresultante se empaqueta en las proteínas de la cubierta del virus; el vector retrovírico puede infectar células, pero no puede replicarsedebido a los genes víricos que le faltan. El vector se mezcla con una suspensión de células diana, y entra en la célula por medio de unreceptor de la superficie celular. Una vez en el citoplasma, el genoma vírico que transporta el gen humano clonado se integra en unode los cromosomas de la célula diana.

Aplicaciones industriales.

Entre las aplicaciones industriales de la tecnología del DNA recombinante se encuentra: la fabricación de productos proteicosutilizando bacterias, hongos y células de mamíferos cultivadas como verdaderas factorías; la mejora de cepas para bioprocesos yaexistentes; y el desarrollo de nuevas cepas para bioprocesos adicionales. Como se ha mencionado anteriormente, la industriafarmacéutica ya está produciendo diversos polipéptidos de importancia médica mediante esta tecnología. Además, existe interés ensintetizar con bacterias recombinantes enzimas caras e importantes desde el punto de vista industrial. Se han desarrollado bacteriasque metabolizan petróleo y otros materiales tóxicos. Estas bacterias pueden construirse ensamblando los genes catabólicosnecesarios en un único plásmido y a continuación transformandoel microorganismo adecuado. También existen muchas aplicaciones potenciales en las industrias química y alimentaria.





Aplicaciones en agricultura.

También es posible evitar los métodos tradicionales de mejora genética y transferir directamente las características deseables aanimales y plantas importantes desde el punto de vista de la agricultura. Estas técnicas tienen la capacidad de aumentar las tasas decrecimiento y la producción global de proteínas de los animales de granja. El gen que codifica la hormona del crecimiento ya ha sidotransferido de ratas a ratones, y los métodos de fertilización in vitro e implantación de embriones han alcanzado un nivel de desarrollorelativamente alto.Recientemente, se ha utilizado la hormona del crecimiento bovina para aumentar la producción de leche al menos un 10%. Es posibleque también puedan mejorarse la resistencia a la enfermedad y la tolerancia a condiciones ambientales extremas de los animales degranja.

Los intentos de conferir a las plantas resistencia a las condiciones ambientales adversas han tenido más éxito. Por ejemplo, seaislaron de Salmonella los genes responsables de la detoxificación de los herbicidas basados en el glifosato, y se introdujeron encélulas de la planta del tabaco utilizando el plásmido Ti. Las plantas regeneradas a partir de las células recombinantes eranresistentes al herbicida. También se han desarrollado variedades de algodón y de maíz fértil transgénico resistentes a los herbicidasEste hecho tiene una importancia considerable, ya que numerosas plantas sufren efectos adversos al ser tratadas con herbicidas. Lasplantas de cultivo resistentes no sufrirían ningún efecto derivado de los agentes químicos empleados para el control de las malashierbas, y las cosechas probablemente serían mucho mayores.Se están explorando muchas otras aplicaciones en agricultura. Un buen ejemplo lo constituye una cepa alterada de Pseudomonas

syringae que protege a las plantas de los daños por congelación porque no puede producir la proteína que induce la formación decristales de hielo. Se está invirtiendo un gran esfuerzo en la protección de las plantas frente a plagas sin el uso de pesticidas químicosy se está estudiando una cepa de Pseudomonas fluorescens que contiene el gen que codifica la toxina de Bacillus thuringiensis. Estatoxina destruye muchas plagas de insectos, como la mariposa de la col y el gusano barrenador del maíz.





6.2. bioetica Desarrollo histórico de la bioética

A mediados del s. XX se suceden una serie de acontecimientos que, vistos con la perspectiva del tiempo, parecen abocarinevitablemente al desarrollo de una nueva disciplina, la bioética, cuya vertiente clínica ha tenido importantes repercusiones en lasanidad.

El primer aldabonazo brutal a la conciencia moral de Occidente fueron las teorías eugenésicas nacidas del conocimiento de laherencia, la reproducción, la zoología, la psiquiatría, etc. y de sus métodos de entonces. Fueron conocimientos que, siendo limitadoses decir lógicos e históricos, se supusieron absolutos y se aplicaron como verdaderos. Ello trajo como consecuencia el genocidio y,entre otras cosas, los experimentos de los médicos nazis en los campos de concentración. Los acontecimientos políticos y sociales dela Europa de hace muy poco tiempo desembocaron en la II Guerra Mundial con el resultado de 60 millones de muertos.

Las atrocidades cometidas por médicos y enfermeras y reveladas en el juicio de Nuremberg supusieron la denominada pérdida de lainocencia de la Medicina y dieron lugar al primer código que regulaba la investigación en seres humanos, uno de los temasdestacados desde entonces en la ética o bioética sanitaria. A continuación se resumen algunos de los acontecimientos que se produjeron en el S. XX y tuvieron alguna repercusión en eldesarrollo de la bioética:

• Redacción del Código de Nüremberg (Alemania, 1948) como conclusión de los procesos judiciales contra los médicos nazisSerá el primer protocolo de la historia sobre ética de la investigación en humanos. Insiste en el ―consentimiento voluntariode los sujetos de experimentación‖.

• El caso Salgo Tribunal Supremo (EEUU, 1957). Se utiliza el término consentimiento informado por primera vez para habladel derecho de los pacientes a recibir información sobre los procedimientos médicos a los que van a someterse y decidir librey voluntariamente si lo desean o no.

• A partir de los 60 y 70 todo se desencadena: catástrofe de la talidomina (1961), el caso Tuskegee (Macon. Alabama. NewYork Times 1972, el caso Karen Ann Quinlan (1976), el Informe Belmont 1978, La Carta de derechos de los pacientes de laAsociación America de Hospitales 1973, etc.

• En 1971 Van Rensselaer Potter utilizó el término bioética al reflexionar sobre la biología medioambiental. Un año despuésun experto en fisiología fetal pone en marcha el Kennedy Institute y ya en 1969 Callahan y otros habían empezado a

promover uno de los centros más prestigiosos en bioética: el Hastings Center.• Se publica el Informe Belmont (1978), fruto del trabajo realizado por la National Commission por encargo del Congreso

norteamericano para elaborar una guía acerca de los criterios éticos que debían guiar la investigación con seres humanos.Este documento es considerado la carta de identidad de esta nueva disciplina, los principios contenidos en ella se haránextensivos a toda la bioética.

• El momento de la eclosión de este movimiento se produce en los años 80: todos los temas se abordan, se buscan métodos,se expande los comités, las universidades han incorporado la disciplina, las editoriales médicas publican sobre bioética, lasreligiones se pronuncian sobre temas de bioética. Temas como el aborto, la reproducción asistida, la eutanasia, el suicidioasistido, la investigación en humanos, los cuidados paliativos, el abordaje del SIDA, el genoma, los trasplantes, etc. ocupanla atención y son motivo de debate. Y son tratados porque hablar de ética es hablar de lo que puede ser de otra manera.

Por qué surge la bioéticaClásicamente el surgimiento y desarrollo de la bioética se atribuye a tres razones o causas:

Los avances científico-técnicos, el cambio del modelo asistencial y el cambio en la relaciónmédico-paciente.

Los cambios fueron tan profundos que obligaron a preguntarse si las respuestas moralmente aceptables hasta el siglo XX seguíansiendo válidas.





Avance científico-técnico de la Medicina en el s XX

Durante la primera mitad del s. XX la Medicina experimentó un auténtico auge tecnológicoque ampliaría la capacidad de intervenir sobre el ser humano:

• Progresos tecnológicos en la práctica de la reanimación y soporte vital, el tratamiento del dolor en los enfermos terminaleslas nuevas terapias oncológicas, etc.

•

Medicamentos como los antibióticos, los psicofármacos, los inmunosupresores, los antisépticos, los antiálgicos yanestésicos y las técnicas quirúrgicas que variaron radicalmente la práctica clínica.

• Técnicas de transplantes de órganos, con lo que han supuesto de mejora de calidad de vida de muchos pacientes, perotambién de redefinición del concepto de muerte, de aumento del costo de la asistencia sanitaria, de polémica sobre lasposibilidades de transexualidad, etc.

• Desarrollo de técnicas de reproducción humana asistida: la inseminación artificial, la donación de semen; la fecundación invitro y la implantación de embriones; las técnicas de diagnóstico prenatal y el aborto eugenésico; la congelación deembriones ―sobrantes‖, etc.

En los inicios del S XXI lejos de limitarse la complejidad se incrementa con las nuevas posibilidades tanto terapéuticas comoeugenésicas y farmacológicas que brinda la genética.

Estos progresos tuvieron además importantes repercusiones éticas:

• Cambios conceptuales. El aumento de las posibilidades de actuación redefinió conceptos como salud y enfermedad, vida ymuerte humanas, sexualidad o reproducción. Se plantean decisiones mucho más complejas y difíciles que antes sobre lasalud y la propia asistencia sanitaria y surgen polémicas asociadas.

• Replanteamientos sobre el deber . Durante siglos se consideró que en Medicina se había de hacer lo que se sabía y sepodía hacer: el saber y el poder. El gran desarrollo científico tecnológico y, sobre todo, sus consecuencias reales y lasposibles, añadieron un nuevo elemento a la reflexión: el deber . Se trata de dilucidar continuamente si se debe hacer todo loque se sabe y todo lo que se puede.

• Cambio en las premisas de la relación. La ampliación de las posibilidades (diagnósticas, pronósticas, terapéuticas o decuidados) múltiples y eficaces obliga a los profesionales sanitarios a una continua actualización de los conocimientos perotambién a ofrecerlas a los pacientes haciéndoles partícipes de las decisiones que se hacen más complejas. La relaciónclínica basada en la confianza en el saber del médico y la obediencia ciega, cambia radicalmente como se verá másadelante.

• Cambio en la relación médico-paciente En este relato sobre los orígenes de la bioética, se señala un elemento interesantey muy perturbador del modelo clásico: la reivindicación del derecho de las personas a desarrollar su propia idea de la vidabuena, de felicidad (Aristóteles), de deber (Kant). El siglo XX conllevó la profundización en la idea madre de libertad y en suhija real la autonomía. La autonomía puede ser definida como un valor que implica poder ejercer el derecho a decidir por ysobre uno mismo, es decir poder actuar como seres autónomos.

• Cambio del modelo asistencial: cambios institucionales y políticos. Un segundo elemento para el surgimiento de la bioéticaclínica o asistencial son los cambios en los modelos de asistencia sanitaria. En España esto ocurre a partir de los años 60con el lento camino de una medicina de pago y de beneficencia hacia un sistema asistencial público y de aseguradorasmédicas. Como en otros países esto acaba produciendo una profunda modificación de las relaciones asistenciales.

El desarrollo económico generó un estado favorecedor del bienestar en Europa y en todo el llamado mundo desarrollado. Lascorrientes de pensamiento del socialismo democrático que plantean un sistema en el cual se integran sociedad liberal y estado sociadan lugar al Estado Social de Derecho que recoge, entre otras muchas europeas, la Constitución Española. Su objetivo es profundizaen los derechos humanos llamados de segunda generación o positivos, hijos de las revoluciones socialistas: el derecho a la asistenciasanitaria, a la educación, etc. Son los derechos económicos, sociales y culturales. Estos requieren de un Estado que los promueva ydesarrolle legislando y ejecutándolos. Estableciendo, por ejemplo, un sistema sanitario y un sistema educativo que haga efectivosesos derechos para todos y cada uno losciudadanos.





A partir de los 70 se inicia una recesión económica que cuestiona el modelo new deal , pero para entonces en Europa la organizacióndel modelo sanitario ya está instaurada y en marcha. Las relaciones sanitario-paciente tienen otro escenario: el pago de honorarios ola asistencia de beneficencia son formas de asistencia minoritarias. Los sanitarios trabajan en los sistemas públicos de salud y lospacientes acuden a él como un derecho sufragado con los impuestos de todos los ciudadanos.

¿Qué es la bioética?

Etimológicamente el término bioética sirve para designar las costumbres (éthos, costumbre) que tienen que ver con la vida (bíos, vidao el cuidado de la vida. Desde un sentido más científico puede entenderse el término bioética, como la parte de la ética que analiza lascuestiones de valor implicadas en los conflictos y problemas que se generan alrededor de las ciencias de la vida, hoy tan acuciantes.En definitiva la bioética es ética aplicada.

La ética es una disciplina tan antigua como la propia cultura. De hecho, la filosofía, la ética como una parte de ella, la retórica, laestética, la política son conocimientos clásicos. La Ética no es un saber teórico que exige la demostración, sino un saber práctico quese rige por la argumentación y requiere de prudencia.

Los seres humanos necesitan comprender la vida porque vivir es actuar y, desde una perspectiva ética, actuar es hacer, tomardecisiones sobre lo bueno, lo conveniente, lo útil y sus contrarios. Son decisiones que llevan a la acción o la omisión y cuyasconsecuencias tendrán efectos sobre la vida propia y la de los demás, para mejorarlas o para empeorarlas.

Decisiones que se toman siempre en condiciones de incertidumbre variable. De esto trata la ética aplicada, de juicios éticos jerarquización de valores, aplicación de principios, análisis de posibles consecuencias, etc. Son juicios diferentes de los estéticos, delos matemáticos o de los juicios clínicos y son tan habituales que cada día de la vida humana transcurre en una sucesión de juiciosque dan forma al comportamiento.

Los sistemas morales existentes en la sociedad regulan la conducta del ser humano de una manera muy superior a la percibida. Dehecho las normas son interiorizadas en gran medida a través del proceso de socialización, se asumen sin reflexionar apenas, casicomo algo natural.Cuando surgen los conflictos bien personales, bien sociales, es cuando se plantea la reflexión ética. En realidad, el conflicto moral esel motor de la reflexión ética, porque la pregunta de la ética no es ―qué debo hacer‖ sino ―porqué lo debo hacer‖, es decir la búsquedade la racionalidad de las acciones humanas.

La bioética pretende, como ética aplicada o práctica que es, poner a punto métodos de análisis y procedimientos de resolución de losproblemas que se plantean en estos ámbitos. A lo largo de estos años, la bioética ha ido adquiriendo un importante contenido ocuerpo doctrinal, de hecho puede decirse que en este momento es una de las ramas más desarrolladas de la ética.La bioética clínica es ética aplicada a un determinado ámbito de la vida y de las relaciones humanas: la asistencia sanitaria. Por esosigue tratando de fundamentar y afinar procedimientos que permitan a las personas que integran esas relaciones "justificar" lo que enellas se dice y se hace.

Características básicas de la bioética actual

La bioética actual intenta responder a las necesidades actuales, es decir, al volumen y gravedad de problemas que se presentan,cumpliendo unos requisitos básicos. Estos son los siguientes:

Se trata de una ética civil , es decir, no una ética religiosa. En las sociedades actuales conviven creyentes, agnósticos, ateos y dentrode cada uno de estos grupos hay una gran variabilidad. Esto implica que, en función del derecho a la libertad de conciencia, se asumeque los acuerdos comunes que propician la convivencia han de ser civiles, estrictamente seculares. En términos concretos en ecampo específico de la bioética esto significa también que, aun teniendo todas las personas derecho de escrupuloso respeto de sulibertad de conciencia, las instituciones sociales están obligadas a establecer unos mínimos morales exigibles a todos. Esto no podráfijarse de acuerdo con los mandatos de las morales religiosas sino desde criterios estrictamente civiles. Por lo tanto, la bioética ha deser una ética civil.





Además debe ser una ética pluralista, es decir, que acepte la diversidad de enfoques y posturas e intente conjugarlos en una unidadsuperior. Si al tomar una decisión moral hubiera que tenerse en cuenta los intereses de la humanidad entera, no hay duda de que losintereses particulares de las personas concretas se anularían entre sí y quedaría solo el interés común, es decir, el bien común. Deahí que el pluralismo no tenga porque ser un obstáculo para la construcción de la ética sino más bien su condición de posibilidad.

Es también una ética autónoma. Se llaman éticas heterónomas a aquellos sistemas morales en el que las normas le vienen impuestosal individuo desde fuera. Las éticas autónomas, por el contrario, consideran que el criterio de moralidad no puede ser otro que elpropio ser humano.

También ha de ser una ética racional . La razón no tiene capacidad de establecer sistemas completos y autosuficientes (ni siquiera larazón matemática) y esto muestra que la racionalidad humana tiene que ser siempre de carácter abierto, deliberativo y responsable.

Por último, la bioética aspira a ser universal y por tanto, ir más allá de los puros convencionalismos morales. Una cosa es que la razónhumana no sea absoluta y otra que no pueda establecer criterios universales y tenga que quedarse en el puro convencionalismo. Esoscriterios universales son por supuesto abiertos y estarán siempre sometidos a procesos de continua revisión. Un ejemplo evidente esla Declaración Universal de los Derechos Humanos.

¿De qué trata la bioética?

Los temas que trata la bioética en la actualidad pueden agruparse en torno a siete módulosfundamentales:

• Historia

• Fundamentación. Modos de razonamiento ético, fundamentos filosóficos para establecer juicios de valor.• Metodología. Procedimientos que permitan la toma de decisiones. Además se crean estructuras como son los comités

nacionales de ética, los comités ad hoc sobre temas específicos éticos relacionados con la ciencia, comités asistenciales deética, los comités éticos de investigación clínica, también son parte del contenido metodológico o del establecimiento demétodos que permitan resolver conflictos.

• Relaciones asistenciales, cuestiones de buena práctica, de las relaciones de equipo interdisciplinario, del consentimientoinformado, de la participación y el peso de la familia en la toma de decisiones, de la confidencialidad, del secreto profesional

la objeción de conciencia, distribución y gestión de recursos sanitarios, etc.• Principio de la vida, temas que para muchos son casi el exponente más evidente, más publicitado por decirlo así de la

bioética: el control demográfico de la natalidad, el diagnóstico prenatal, el aborto, las nuevas técnicas de reproducciónasistida, la genética que bien podría ser en sí mismo un módulo, la ingeniería genética, la clonación, etc.

• Final de la vida. La eutanasia, el suicidio médicamente asistido, la limitación de esfuerzo terapéutico, la obstinaciónterapéutica, el trasplante de órganos, la planificación de las cuidados antes del final de la vida, las voluntades anticipadasetc.

• Investigación: la experimentación con seres humanos (no solamente farmacológica sino quirúrgica y de otro tipo) y laexperimentación animal (cuestiones relativas al trato con los animales o bienestar animal).




Bibliografía

Alberts, B et al. (1996) Biología Molecular de la Célula. 3 ra Edición. Ediciones Omega S.A.Barcelona.

Balech E. Introducción al Fitoplancton Marino. EUDEBA, Buenos Aires,1977

Campbell D, Hurry V, Clarke AK, Gustafsson P, Öquist G. Chlorophyll fluorescence analysis of cianobacterial photosinthesis and

cuaderno de trabajo de biologia contemporanea

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