Biología 2º BTO

2013-2014

Isabel Mª Gallego López

Biología

CONTENIDO Bioelementos.............................................................................................................................................. 16 Tabla de bioelementos. .......................................................................................................................... 17 Idoneidad del carbono para la vida. ....................................................................................................... 17 Principios inmediatos o biomoléculas. ................................................................................................... 18 Tipos de enlaces. .................................................................................................................................... 18 Enlace iónico. ...................................................................................................................................... 18 Enlace o puente de hidrógeno. .......................................................................................................... 19 Enlace covalente. ................................................................................................................................ 19 Energía de enlace. .................................................................................................................................. 20 El agua. ....................................................................................................................................................... 21 Características de la molécula de agua. ................................................................................................. 21 Propiedades del agua. ............................................................................................................................ 22 Importancia biológica. ............................................................................................................................ 24 Las sales minerales. .................................................................................................................................... 26 Sales minerales disueltas ........................................................................................................................ 26 Funciones de las sales en disolución. ................................................................................................. 26 Disoluciones amortiguadoras del pH. ................................................................................................. 27 Sales minerales precipitadas. ................................................................................................................. 28 Funciones de las sales precipitadas. ................................................................................................... 28 Carácter coloidal de la materia viva. ...................................................................................................... 29 La ósmosis. ............................................................................................................................................. 30 Las membranas celulares se comportan como membranas semipermeables. .................................. 30 Glúcidos. ..................................................................................................................................................... 32 Concepto y clasificación. ........................................................................................................................ 32 Los monosacáridos. ................................................................................................................................ 33 Propiedades. ....................................................................................................................................... 33 Composición química. ........................................................................................................................ 33 Isomería. ............................................................................................................................................. 34 1

Actividad óptica. ................................................................................................................................. 35 Fórmulas lineales. ............................................................................................................................... 35 Fórmulas cíclicas. .................................................................................................................................... 37 Enlace hemiacetálico. ......................................................................................................................... 37 Importancia biológica de los monosacáridos. ........................................................................................ 38 Derivados de monosacáridos. ................................................................................................................ 39 Los oligosacáridos. .................................................................................................................................. 40 El enlace O-glucosídico. ...................................................................................................................... 40 Los disacáridos.................................................................................................................................... 41 Polisacáridos ........................................................................................................................................... 41 Homopolisacáridos. ............................................................................................................................ 42 Homopolisacáridos de reserva. .......................................................................................................... 43 Heteropolisacáridos................................................................................................................................ 44 Heterósidos. ........................................................................................................................................... 45 LÍPIDOS ....................................................................................................................................................... 48 Concepto y clasificación ......................................................................................................................... 48 Clasificación de los lípidos. ................................................................................................................. 48 Ácidos grasos. ......................................................................................................................................... 49 Propiedades fisioquímicas de los ácidos grasos. ................................................................................ 50 Grasas y ceras. ........................................................................................................................................ 50 Grasas. ................................................................................................................................................ 51 Ceras. .................................................................................................................................................. 51 Los fosfolípidos. ...................................................................................................................................... 52 Principales fosfolípidos. ...................................................................................................................... 52 Los fosfolípidos en las membranas biológicas. ................................................................................... 53 Esfingolípidos o esfingofosfolípidos. ...................................................................................................... 54 Esfingomielinas. .................................................................................................................................. 55 Esfingoglucolípidos. ............................................................................................................................ 55 Terpenos, esteroides y prostaglandinas. ................................................................................................ 55

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Terpenos. ............................................................................................................................................ 56 Esteroides. .......................................................................................................................................... 57 Prostaglandinas. ................................................................................................................................. 58 AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS. .................................................................................................................... 59 Los aminoácidos. .................................................................................................................................... 59 Propiedades de los aminoácidos. ........................................................................................................... 60 Propiedades ácido-básicas de los aminoácidos. ................................................................................ 60 Aminoácidos esenciales. ..................................................................................................................... 61 Enlace peptídico. .................................................................................................................................... 61 Características del enlace peptídico. .................................................................................................. 62 Péptidos y oligopéptidos de interés biológico.................................................................................... 62 Estructuras primaria y secundaria de las proteínas. .............................................................................. 62 Estructura primaria............................................................................................................................. 63 Estructura secundaria. ........................................................................................................................ 63 Estructura terciaria. ............................................................................................................................ 65 Estructura cuaternaria. ....................................................................................................................... 66 Propiedades de las proteínas. ................................................................................................................ 67 Clasificación de las proteínas: holoproteínas. ........................................................................................ 68 Proteínas fibrosas. .............................................................................................................................. 68 Proteínas globulares. .......................................................................................................................... 69 Clasificación de las proteínas: heteroproteínas. .................................................................................... 69 La diversidad funcional de las proteínas. ............................................................................................... 70 Enzimas. ...................................................................................................................................................... 72 Enzimas. .................................................................................................................................................. 72 Propiedades de las enzimas. .................................................................................................................. 74 Clasificación de las enzimas. ................................................................................................................... 74 Mecanismo de las reacciones enzimáticas. ............................................................................................ 75 Modo de actuación de un enzima. ......................................................................................................... 76 Factores que influyen en la velocidad de las reacciones enzimáticas. ................................................... 77

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Inhibición enzimática. ............................................................................................................................. 78 Vitaminas y metabolismo. .......................................................................................................................... 80 Clasificación de las vitaminas. ................................................................................................................ 80 Composición de los ácidos nucleicos.......................................................................................................... 83 Nucleósidos. ....................................................................................................................................... 83 Nucleótidos......................................................................................................................................... 83 Nucleótidos no nucleídos. ...................................................................................................................... 84 Nucleótidos de adenina. ..................................................................................................................... 84 Nucleótidos coenzimáticos. ................................................................................................................ 85 Ácido desoxirribonucleico (ADN) ............................................................................................................ 86 Estructura primaria............................................................................................................................. 86 Estructura secundaria: el modelo de Watson y Crick. ........................................................................ 87 Estructura terciaria ............................................................................................................................. 88 Niveles de empaquetamiento. ........................................................................................................... 88 Complementariedad entre las bases. ................................................................................................. 90 Estructuras alternativas de la doble hélice............................................................................................. 90 Forma B del ADN ................................................................................................................................ 90 Forma A del ADN ................................................................................................................................ 90 Forma Z del ADN ................................................................................................................................. 91 Función biológica del ADN. ..................................................................................................................... 91 El ADN en las células eucarióticas y procarióticas. ............................................................................. 91 El ácido ribonucleico (ARN) .................................................................................................................... 92 El ARN mensajero (ARNm).................................................................................................................. 93 ARN ribosómico (ARNr) ...................................................................................................................... 93 ARN de transferencia (ARNt) .............................................................................................................. 93 ARN nucleolar (ARNn) ........................................................................................................................ 94 Otros tipos de ARN ............................................................................................................................. 94 Dogma central de la biología molecular ................................................................................................. 95 Del ADN a las proteínas .............................................................................................................................. 96

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El ADN como materia hereditario. ......................................................................................................... 96 Experimentos de Griffith. ................................................................................................................... 96 Estructura del genoma y su expresión. .................................................................................................. 97 Un gen, una enzima. ........................................................................................................................... 97 Organismos procarióticos. .................................................................................................................. 97 Organismos eucarióticos. ................................................................................................................... 98 Flujo de información genética. ............................................................................................................... 98 Síntesis del ARN: Transcripción ............................................................................................................ 100 Transcripción en procariontes. ......................................................................................................... 101 Transcripción en eucariontes. .......................................................................................................... 101 Maduración del ARN............................................................................................................................. 102 Organismos procarióticos. ................................................................................................................ 102 Organismos eucarióticos. ................................................................................................................. 103 Descubrimiento del código genético. ................................................................................................... 103 Características del código genético. ..................................................................................................... 104 El proceso de Traducción...................................................................................................................... 104 El ARN de transferencia (ARNt). ....................................................................................................... 105 Activación de los aminoácidos. ........................................................................................................ 105 La síntesis de proteínas. ....................................................................................................................... 106 Iniciación de la cadena proteica. ...................................................................................................... 106 Elongación de la cadena proteica. .................................................................................................... 106 Terminación de la cadena proteica. ................................................................................................. 107 La replicación del ADN. ............................................................................................................................. 108 La replicación semiconservativa. ...................................................................................................... 108 Las fases de la replicación en procariontes. ..................................................................................... 109 El mecanismo de la elongación en procariones. .................................................................................. 110 Elongación de las hebras conductora y retardada. .......................................................................... 110 Corrección de errores. ...................................................................................................................... 111 La replicación en eucariontes. .............................................................................................................. 111

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Muerte celular .................................................................................................................................. 112 El ADN y la ingeniería genética. ................................................................................................................ 113 De la biotecnología a la ingeniería genética. ........................................................................................ 113 Aplicaciones de la ingeniería genética.............................................................................................. 113 Obtención de fragmentos de ADN. ...................................................................................................... 114 Tecnología del ADN recombinante. .................................................................................................. 114 Formación de un ADN complementario por hibridación. ................................................................ 116 Síntesis de un ADNc (ADN complementario) utilizando como molde el ARNm. .............................. 116 Clonación del ADN. ............................................................................................................................... 117 Almacenamiento de genes clonados. ............................................................................................... 118 Aplicaciones de PCR.............................................................................................................................. 118 Secuenciación del ADN. ........................................................................................................................ 119 Método didesoxi de Sanger .............................................................................................................. 119 Genómica y proteómica. ...................................................................................................................... 120 Ingeniería genética y medicina. ............................................................................................................ 121 Obtención de productos farmacéuticos. .......................................................................................... 122 Medicina forense. ............................................................................................................................. 122 Diagnóstico de enfermedades. ......................................................................................................... 122 Terapia genética. .............................................................................................................................. 123 Ingeniería genética, agricultura y medio ambiente. ............................................................................. 124 Aplicaciones de la ingeniería genética en el medio ambiente. ........................................................ 125 Ingeniería genética y ganadería. .......................................................................................................... 125 Clonación terapéutica y reproductiva en animales. ......................................................................... 126 Proyecto genoma humano. .................................................................................................................. 127 Objetivos del Proyecto Genoma Humano. ....................................................................................... 127 Bioética. ................................................................................................................................................ 128 Aspectos más destacados de la ley de investigación. ...................................................................... 130 Genética y evolución. ............................................................................................................................... 131 El fenómeno de la mutación................................................................................................................. 131

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Tipos de mutaciones. ........................................................................................................................ 131 El origen de las mutaciones .............................................................................................................. 132 Mutaciones génicas. ............................................................................................................................. 132 Sustituciones de bases. .................................................................................................................... 132 Mutaciones por corrimiento de la pauta de lectura. ....................................................................... 134 Mutaciones cromosómicas................................................................................................................... 134 Consecuencias de las mutaciones cromosómicas. ........................................................................... 135 Mutaciones genómicas. ........................................................................................................................ 136 Euploidías. ........................................................................................................................................ 136 Aneuploidías. .................................................................................................................................... 136 Agentes mutagénicos. .......................................................................................................................... 137 Mutágenos físicos. ............................................................................................................................ 137 Mutágenos químicos ........................................................................................................................ 138 Mutación y cáncer. ............................................................................................................................... 138 Características de las células cancerosas. ........................................................................................ 139 Tipos de genes asociados con el cáncer. .......................................................................................... 139 Origen vírico de algunos cánceres. ................................................................................................... 140 Evolución por selección natural: Darwinismo. ..................................................................................... 140 Selección natural. ............................................................................................................................. 140 Características del Neodarwinismo. ................................................................................................. 141 Alternativas del neodarwinismo........................................................................................................... 141 Teoría neutral. .................................................................................................................................. 141 Teoría del equilibrio intermitente o puntualismo. ........................................................................... 142 Gradualismo. .................................................................................................................................... 142 Reproducción celular. ............................................................................................................................... 143 El ciclo celular ....................................................................................................................................... 143 Control del ciclo celular. ................................................................................................................... 143 Interfase. .......................................................................................................................................... 144 División celular: mitosis y citocinesis. ................................................................................................... 144

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Mitosis .............................................................................................................................................. 144 Citocinesis. ........................................................................................................................................ 146 Tipos especiales de división celular. ................................................................................................. 146 La meiosis. ............................................................................................................................................ 147 Meisis I o división reduccional. ......................................................................................................... 147 Meiosis II........................................................................................................................................... 149 Mitosis, meiosis y reproducción. .......................................................................................................... 149 Reproducción asexual....................................................................................................................... 149 Reproducción sexual. ....................................................................................................................... 150 Tipos de ciclo biológicos. ...................................................................................................................... 151 Ciclo haplonte. .................................................................................................................................. 151 Ciclo diplonte. ................................................................................................................................... 151 Ciclo haplodiplonte. .......................................................................................................................... 151 Las leyes de la herencia. ........................................................................................................................... 153 Planteamiento experimental de Mendel.............................................................................................. 153 Metodología de los trabajos de Mendel. ......................................................................................... 153 Estudio de la herencia de los caracteres. ............................................................................................. 154 Nuevos términos para nuevos conocimientos. ................................................................................ 155 Las leyes de Mendel. ............................................................................................................................ 155 Primera y segunda ley. ..................................................................................................................... 156 Retrocruzamiento o cruzamiento prueba. ....................................................................................... 156 Tercera ley de Mendel. ..................................................................................................................... 157 Polihíbridos. ...................................................................................................................................... 157 Teoría cromosómica de la herencia. .................................................................................................... 158 Genes ligados........................................................................................................................................ 159 Herencia poligénica. ............................................................................................................................. 159 Herencia poligénica. ......................................................................................................................... 159 Genética humana. ................................................................................................................................ 160 Elaboración de un árbol genealógico. .............................................................................................. 160

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Herencia poligénica en la especie humana. ..................................................................................... 161 Alelismo múltiple en la especie humana. ......................................................................................... 161 Determinación del sexo. ....................................................................................................................... 161 Determinación cromosómica. .......................................................................................................... 161 Determinación por haploidía............................................................................................................ 162 Determinación ambiental. ................................................................................................................ 162 Herencia ligada al sexo. ........................................................................................................................ 163 Herencia ligada al sexo en la especie humana. ................................................................................ 163 Herencia influencia por el sexo. ....................................................................................................... 163 La Célula. El núcleo. .................................................................................................................................. 164 Concepto de célula. Teoría celular. ...................................................................................................... 164 Teoría celular. Antecedentes y desarrollo. ....................................................................................... 164 Aceptación de la teoría celular. ........................................................................................................ 165 Postulados de la teoría celular. ........................................................................................................ 165 Origen y evolución celular. ................................................................................................................... 165 El comienzo de la vida. ..................................................................................................................... 166 Las primeras células.......................................................................................................................... 167 Otras teorías sobre el origen de la vida. ........................................................................................... 167 Teoría endosimbionte. ..................................................................................................................... 168 Tipos de organización celular. .............................................................................................................. 169 Células procarióticas......................................................................................................................... 169 Células eucarióticas. ......................................................................................................................... 171 Forma y tamaño de las células. ............................................................................................................ 173 Tamaño celular ................................................................................................................................. 174 El núcleo ............................................................................................................................................... 175 Características del núcleo. ................................................................................................................ 176 La envoltura nuclear. ............................................................................................................................ 177 Poros nucleares. ............................................................................................................................... 177 La cromatina. ........................................................................................................................................ 178

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Características. ................................................................................................................................. 178 Ultraestructura. ................................................................................................................................ 178 Tipos de cromatina. .......................................................................................................................... 179 El nucleoplasma y el nucléolo............................................................................................................... 179 Nucleoplasma. .................................................................................................................................. 179 Nucléolo............................................................................................................................................ 180 Los cromosomas. .................................................................................................................................. 180 Estructura del cromosoma metafásico. ............................................................................................ 181 Tipos de cromosomas. ...................................................................................................................... 182 Numero de cromosomas .................................................................................................................. 182 La membrana plasmática y otros orgánulos membranosos..................................................................... 184 La célula como sistema de membranas................................................................................................ 184 La membrana plasmática. Composición química y estructura. ............................................................ 185 Composición química. ...................................................................................................................... 185 Estructura de la membrana .............................................................................................................. 188 Fisiología de la membrana.................................................................................................................... 188 Funciones de las membranas biológicas. ......................................................................................... 189 Receptores de membrana. ............................................................................................................... 189 Transporte de moléculas de poca masa molecular. ............................................................................. 190 Transporte pasivo. ............................................................................................................................ 190 Transporte activo. ............................................................................................................................ 191 Transporte de moléculas de elevada masa molecular. ........................................................................ 191 Endocitosis........................................................................................................................................ 192 Exocitosis. ......................................................................................................................................... 193 Transcitosis. ...................................................................................................................................... 193 Interacción célula-célula. ...................................................................................................................... 194 Uniones comunicantes. .................................................................................................................... 194 Uniones estrechas. ........................................................................................................................... 195 Uniones adherentes o desmosomas. ............................................................................................... 195

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Retículo endoplasmático. ..................................................................................................................... 196 Estructura del retículo endoplasmático rugoso. .............................................................................. 197 Estructura del retículo endoplasmático liso. .................................................................................... 198 Funciones de lípidos. ........................................................................................................................ 198 El aparato de Golgi. .............................................................................................................................. 199 Ultraestructura. ................................................................................................................................ 199 Funciones.......................................................................................................................................... 199 Lisosomas, peroxiomas y vacuolas. ...................................................................................................... 200 Estructura y función de los lisosomas. ............................................................................................. 201 Estructura y función de los peroxisomas. ......................................................................................... 201 Estructura y función de las vacuolas. ............................................................................................... 202 Mitocondrias ........................................................................................................................................ 202 Ultraestructura de la mitocondria. ................................................................................................... 203 Distribución y morfología. ................................................................................................................ 203 Funciones.......................................................................................................................................... 204 ADN mitocondrial. ............................................................................................................................ 204 Plastos. ................................................................................................................................................. 204 Características de los cromoplastos. ................................................................................................ 205 Funciones de los cloroplastos. .......................................................................................................... 206 Hialoplasma, citoesqueleto y estructuras no membranosas de la célula. ............................................... 207 Estructura y composición. ................................................................................................................ 207 Funciones.......................................................................................................................................... 207 Citoesqueleto. ...................................................................................................................................... 207 Microfilamentos de actina................................................................................................................ 207 Microtúbulos. ................................................................................................................................... 208 Filamentos intermedios. ................................................................................................................... 209 Centrosoma. ......................................................................................................................................... 209 Estructura y composición. ................................................................................................................ 209 Origen y función del centrosoma. .................................................................................................... 210

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Cilios y flagelos. .................................................................................................................................... 210 Ultraestructura y composición. ........................................................................................................ 210 Funciones de los cilios y de los flagelos. ........................................................................................... 211 Ribosomas. ........................................................................................................................................... 211 Estructura. ........................................................................................................................................ 212 Funciones.......................................................................................................................................... 212 Inclusiones citoplasmáticas. ................................................................................................................. 212 La pared celular. ................................................................................................................................... 212 Composición química. ...................................................................................................................... 212 Estructura. ........................................................................................................................................ 213 Funciones.......................................................................................................................................... 214 Pared bacteriana. ................................................................................................................................. 214 Metabolismo. ........................................................................................................................................... 215 Consideraciones generales sobre el metabolismo. .............................................................................. 215 Moléculas que intervienen en el metabolismo. ............................................................................... 215 Tipos de metabolismo .......................................................................................................................... 216 Origen y evolución del metabolismo. ................................................................................................... 218 Catabolismo y anabolismo. .................................................................................................................. 218 Catabolismo aeróbico y anaeróbico ..................................................................................................... 220 Panorámica del catabolismo aeróbico. ............................................................................................ 220 Glucólisis ........................................................................................................................................... 222 Respiración aerobia de la glucosa .................................................................................................... 226 Balance energético de la respiración celular. ................................................................................... 229 Fermentaciones ................................................................................................................................ 231 Otras rutas metabólicas. .................................................................................................................. 233 Anabolismo. .......................................................................................................................................... 234 Fotosíntesis. ...................................................................................................................................... 234 Quimiosíntesis. ................................................................................................................................. 245 Microbiología............................................................................................................................................ 248

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Clasificación de los microorganismos. .................................................................................................. 248 Reino moneras: las bacterias. ........................................................................................................... 248 Reino hongos .................................................................................................................................... 253 Los virus. ............................................................................................................................................... 254 Multiplicación vírica. ........................................................................................................................ 257 Viroides y priones. ............................................................................................................................ 259 Los microorganismos en la biosfera. ........................................................................................................ 261 Importancia de los microorganismos. .................................................................................................. 261 Beneficios de los microorganismos. ................................................................................................. 262 Infecciones por microorganismos. ....................................................................................................... 262 Transmisión de enfermedades infecciosas....................................................................................... 262 Microorganismos y salud. ..................................................................................................................... 266 La infección. ...................................................................................................................................... 266 Toxinas. ............................................................................................................................................. 267 Los agentes patógenos. .................................................................................................................... 268 Flujo de materia en el ecosistema: ciclos biogeoquímicos................................................................... 269 Ciclo del carbono. ............................................................................................................................. 270 Ciclo del nitrógeno............................................................................................................................ 271 Microorganismos y biotecnología. ....................................................................................................... 271 Los microorganismos en la industria alimentaria. ............................................................................ 271 Los microorganismos en la industria farmacéutica. ......................................................................... 272 Microorganismos y medio ambiente.................................................................................................... 273 Biodegradación del petróleo. ........................................................................................................... 274 Tratamiento de aguas residuales. .................................................................................................... 274 Microorganismos minería................................................................................................................. 275 Aplicaciones de la biotecnología en el medio ambiente. ................................................................. 275 Defensa del microorganismo frente a la infección. .................................................................................. 276 Mecanismos de defensa orgánica. ....................................................................................................... 276 Barreras inespecíficas. .......................................................................................................................... 276

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Barreras primarias. ........................................................................................................................... 276 Barreras secundarias. ....................................................................................................................... 277 Células inespecíficas. ........................................................................................................................ 277 Barreras específicas: el sistema inmunitario. ....................................................................................... 279 Organización del sistema inmunitario. ............................................................................................. 279 Órganos linfoides primarios. ............................................................................................................ 279 Órganos linfoides secundarios. ........................................................................................................ 280 Los linfocitos: células específicas del sistema inmunitario. .............................................................. 280 La respuesta inmune. ........................................................................................................................... 281 La respuesta inmune primaria. ......................................................................................................... 281 Respuesta inmune secudaria. ........................................................................................................... 282 Los antígenos. ....................................................................................................................................... 282 Los anticuerpos..................................................................................................................................... 283 Tipos de inmunoglobulinas............................................................................................................... 284 La reacción inmune: reacción antígeno-anticuerpo. ............................................................................ 284 Tipos de reacción antígeno-anticuerpo. ........................................................................................... 285 El sistema del complemento. ............................................................................................................... 285 La respuesta inmune humoral. ............................................................................................................. 285 Teoría de la selección clonal. ............................................................................................................ 286 Mecanismo de la respuesta inmune humoral. ................................................................................. 286 Respuesta inmune celular. ................................................................................................................... 287 Mecanismo de la respuesta inmune celular. .................................................................................... 287 Inmunología y enfermedad. ..................................................................................................................... 288 La inmunidad. ....................................................................................................................................... 288 La inmunidad adaptiva activa. .......................................................................................................... 288 La inmunidad adaptiva pasiva. ......................................................................................................... 288 Inmunización: sueros y vacunas. .......................................................................................................... 289 Inmunización pasiva. ........................................................................................................................ 289 Inmunización activa. ......................................................................................................................... 289

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Autoinmunidad. .................................................................................................................................... 290 Hipersensibilidad. ................................................................................................................................. 291 Hipersensibilidad inmediata. ............................................................................................................ 291 Hipersensibilidad citotóxica ............................................................................................................. 292 Hipersensibilidad mediada por complejos antígeno-anticuerpo ..................................................... 292 Hipersensibilidad retardada. ............................................................................................................ 292 Exceso de tolerancia inmune: inmunodeficiencias. ............................................................................. 292 Inmunodeficiencias congénitas. ....................................................................................................... 293 Inmunodeficiencias adquiridas. ............................................................................................................ 293 Características y estructura del VIH.................................................................................................. 294 Infección por VIH. ................................................................................................................................. 294 Contagio, prevención, diagnóstico y tratamiento. ........................................................................... 294 Inmunidad y cáncer. ............................................................................................................................. 295 El sistema inmunitario frente al cáncer. ........................................................................................... 296 Inmunoterapia. ..................................................................................................................................... 296 Trasplante de órganos. Rechazos. ........................................................................................................ 297 El rechazo de trasplantes.................................................................................................................. 298

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BIOELEMENTOS Los bioelementos son los que forman parte de los seres vivos aunque se producen en proporciones muy variables y a menudo pequeñísimas. Se han identificado algo más de setenta bioelementos, casi todos ellos estables. En realidad, excluyendo los gases nobles son muy pocos los elementos que no se han encontrado en el conjunto de la biosfera, si bien todos estos bioelementos son indispensables para todos los seres vivos. Lo significativo no es el tipo de elementos presentes en la materia viva, sino la proporción en que se encuentra cada uno de ellos. Todos son importantes y necesarios para el correcto funcionamiento de los seres vivos. Atendiendo a su abundancia, se pueden clasificar del modo siguiente: •

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Bioelementos mayoritarios. Son los que están siempre presentes en la materia viva. A su vez se pueden distinguir en dos tipos: o Bioelementos primarios: C, H, O, N, P y S (algunos seres vivos extraños sustituyen el S por el Ar). Son el 98%. Forman enlaces simples, dobles o triples. Se unen formando una gran variedad de compuestos. Constituyen los componentes esenciales con los que constituye la materia viva. o Bioelementos secundarios: Ca, Na, K, Mg y Cl. Son el 3,3%. Desempeñan funciones vitales en la fisiología celular. Oligoelementos esenciales: Fe, Mn, Cu, I, P y Zn. Son el 0,1%. Son indispensables para el funcionamiento del organismo. Los oligoelementos tienen diferentes funciones. El Yodo controla la hormona tiroidea quien controla nuestro metabolismo, ante una falta de este se produce hipotiroidismo, que produce fatiga, frío y estreñimiento entre otras cosas o bien, ante el exceso, se puede producir hipertiroidismo que produce estrés y deja cara “de asustado”. o El Cobalto influye en la formación de la hemoglobina. o El Silicio en la formación del caparazón de las algas deatomeas. o El Cromo en la tolerancia de la glucosa. o El Litio es un estabilizador del ánimo.

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Oligoelementos no esenciales. Este grupo lo forman el resto de los elementos químicos que, aun no siendo esenciales para todos los organismos, a menudo desempeñan importantes funciones.

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TABLA DE BIOELEMENTOS. Primarios Carbono Hidrógeno Oxígeno Nitrógeno

–C– – H– Junto con el azufre y el fósforo son los contribuyentes básicos – O– de las moléculas de los seres vivos. – N– Forma parte de muchas proteínas al estar presente en los aminoácidos – S– cisteína y metionina. Forma el grupo tiol (-SH), responsable de la actividad catalítica de muchas enzimas.

Azufre

Forma parte de muchas moléculas biológicas, como fosfolípidos, los ác. Nucleicos, el ATP. En forma de fosfatos aparece en –P– esqueletos y dientes, y tiene acción tamponadora.

Fósforo Secundarios Sodio Potasio Mantienen Cloro

–Na– Son los responsables de la creación de los gradientes de membrana, –K – imprescindibles para la transmisión del impulso nervioso. –Cl – el equilibrio osmótico y neutralizan cargas de macromoléculas. En forma iónica participa en la contracción muscular, coagulación sanguínea y la transmisión del impulso nervioso. Como CaCO³ forma – Ca– estructuras esqueléticas.

Calcio Magnesio

–Mg – Aparece en la molécula de clorofila y actúa como catalizador en muchas reacciones químicas.

Oligoelementos Cobre Zinc

– Cu– Actúan como cofactores de muchas enzimas. – Zn–

IDONEIDAD DEL CARBONO PARA LA VIDA. El carbono es el elemento básico de todas las moléculas orgánicas, porque: • • •

Forma enlaces covalentes consigo mismo, dando lugar a cadenas lineales, ramificadas, cíclicas, etc. Forma enlaces simples, dobles y triples. Se puede unir con O, H, N, etc. Dando lugar a los distintos grupos funcionales.

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A causa de la configuración tetraédrica de sus enlaces cada molécula tiene una estructura espacial determinada que determina, a su vez, su funcionamiento.

¿Por qué no silicio en vez de carbono? Si se añade al silicio oxígeno, se forma silicona y los enlaces son demasiado estables para la vida ya que no hay reacciones con otros compuestos. PRINCIPIOS INMEDIATOS O BIOMOLÉCULAS. Los bioelementos pueden ser aislados o formando moléculas. Las biomoléculas son moléculas que se extraen a través de la materia viva por procedimientos físicos. Estas pueden ser inorgánicas como el agua o las sales minerales, u orgánicas como son los glúcidos, los ácidos nucleicos, los lípidos y las proteínas, tienen un carbono en combinación con O, N, S o P. *Esencial: imprescindible para la vida y que no podemos sintetizarlo. Los Principios Inmediatos, que son esenciales, no existen en autótrofos (por ejemplo, las plantas). Desde el punto de vista biológico, es importante destacar que, de los seis grupos de principios inmediatos, las sales minerales y el agua no son exclusivas de los seres vivos; sin embargo, las biomoléculas sí lo son, lo que significa que es necesario que los organismos las sinteticen. A estos principios inmediatos, agrupados en función de su presencia -exclusiva o no exclusiva- de los seres vivos, se los denomina a veces moléculas orgánicas e inorgánicas respectivamente. Esta terminología es discutible desde un punto de vista biológico, ya que se puede considerar que cualquier molécula, por sencilla que sea, desde el momento en que está integrando un organismo vivo, es orgánica. Según esto, el agua y las sales son tan constitutivas de la materia viva como las proteínas o los ácidos nucleicos, por lo que el agua es también una biomolécula.

TIPOS DE ENLACES. ENLACE IÓNICO. Este enlace como tal, como el que constituye los cristales de cloruro sódico, no lo encontramos en la materia viva. Sin embargo, sí abundan las formaciones sólidas cristalinas: cristales de aragonito en conchas de moluscos, cristales de hidroxiapatito 18

revistiendo las fibras de colágeno en el tejido óseo, estructuras de sílice en los frústulos de las diatomeas, etc. ENLACE O PUENTE DE HIDRÓGENO. Es un tipo de unión débil, pero de extraordinaria importancia en la estructura química de la materia viva. Se trata de la atracción entre dos regiones moleculares que tienen carga iónica parcial de distinto signo y que están suficientemente próximas. En estas condiciones, ambas regiones moleculares quedan recíprocamente orientadas y ligeramente “sujetadas”. Esta atracción es muy débil, pero si son muchas las regiones de las dos moléculas atraídas, pueden quedar establemente unidas; es el caso de la doble hélice del ADN. Otras veces, estas uniones se realizan entre regiones distantes de la misma molécula, pero que, por su compleja configuración espacial quedan suficientemente próximas. Este es el caso de la hélice alfa de las proteínas, donde los enlaces de hidrógeno se forman entre los grupos C=O y N-H enfrentados. En el caso del agua, sus moléculas forman enlaces de hidrógeno entre sí, y esto es lo que explica que el hielo, por la mayor ordenación de sus moléculas, sea menos denso que el agua líquida. La estabilidad de los enlaces de hidrógeno disminuye con el aumento de temperatura. ENLACE COVALENTE. Este es el enlace químico por excelencia, y hace posible la enorme diversidad molecular que integra la materia viva. Las moléculas así formadas no pierden estabilidad en el ambiente acuoso propio de toda célula. Un hecho importante es que los cuatro bioelementos mayoritarios (H, O, C, N) están entre los elementos químicos más ligeros capaces de formar un enlace covalente. Entre las moléculas que tienen enlaces covalentes se presentan diversidad de comportamientos, lo que permite la compleja organización química de la materia viva. Pueden carecer casi por completo de polaridad (las ceras y los triglicéridos) Pueden comportarse con fuerte hidrofobia, o presentar pocas regiones con carga iónica parcial (los fosfolípidos y los esfingolípidos), lo que les da un carácter antipático. Pueden tener abundancia de regiones hidrófilas, que les permitirán ser solubles en agua (monosacáridos). Se pueden ionizar en disolución acuosa (aminoácidos).

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El enlace covalente se forma entre dos átomos que tienen compartidos electrones. Es un enlace muy fuerte por lo que las moléculas serán muy estables.

ENERGÍA DE ENLACE. •

• • • •

El enlace iónico o fuerzas electrostáticas tienen una energía de enlace de 80 Kcal/mol en moléculas sólidas pero en disolución acuosa, la energía de enlace es de 5 Kcal/mol. El enlace o puente de hidrógeno tiene una energía de 4 Kcal/mol. Está unido a otros átomos como el O y el N. Estos enlaces son muy débiles. El enlace covalente es muy fuerte, de 90 Kcal/mol y son los que se forman entre las cadenas de carbonos. Las interacciones hidrofóbicas son las que se producen al tener en una molécula una parte que no es compatible con el agua y otra que si lo es. Las fuerzas de van der Waals son de tan solo 1 Kcal/mol, por lo que son muy débiles.

En resumen, los enlaces fuertes son los covalentes, los iónicos (solo la materia mineral) y los puentes de sulfuro (2 mol de S unidos). Los enlaces débiles son los iónicos (en disolución) el puente de hidrógeno, las interacciones hirofóbicas y las fuerzas de van der Waals.

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EL AGUA. El agua es la molécula más abundante de la materia viva. La cantidad de agua en los seres vivos oscila entre el 20% en tejidos óseos, hasta el 85% en determinadas células como las cerebrales. El contenido de agua es superior en células embrionarias, y van disminuyendo con el envejecimiento celular. Los organismos pueden obtener el agua directamente del medio ambiente (agua exógena) o generarla a partir de otras moléculas orgánicas mediante diferentes reacciones bioquímicas (agua endógena o metabólica).

CARACTERÍSTICAS DE LA MOLÉCULA DE AGUA. •

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La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, unidos a través de enlaces covalentes simples que forman un ángulo de 104,5º y adopta así la molécula una figura tetraédrica. Es eléctricamente neutra, aunque sus átomos tienen diferentes valores de electronegatividad o capacidad para atraer a los electrones. El átomo de oxígeno es más electronegativo que el de hidrógeno; por ello, los electrones de los enlaces entre estos dos átomos están desplazados hacia el oxígeno. Este desplazamiento da lugar a un exceso de carga negativa sobre el átomo de oxígeno, y un exceso de carga positiva sobre los dos átomos de hidrógeno; este exceso recibe el nombre de densidad de carga. Esta distribución espacial de cargas eléctricas se define como momento dipolar, y da lugar a una molécula caracterizada por la ausencia de carga neta en la que se establece un dipolo y, además, adquiere carácter polar.

*La electronegatividad es una magnitud que mide la capacidad de los átomos para atraer a los electrones de los enlaces compartidos. •

Debido a su carácter polar, las moléculas de agua pueden interaccionar entre sí mediante atracciones electrostáticas, estableciendo enlaces o puentes de hidrógeno. Cada átomo de oxígeno, con densidad de carga negativa, ejerce atracción sobre cada una de las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas; así, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno de otras moléculas; así, cada molécula de agua puede formar hasta cuatro enlaces de hidrógeno: dos por medio de cada uno de sus átomos de hidrógeno y otros dos gracias a su átomo de oxígeno. Igualmente, pueden formar enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares o iones. 21

A pesar de la relativa debilidad de los enlaces de hidrógeno, su presencia confiere una estructura interna al agua que permite explicar alguna de sus características más importantes. Por ejemplo, que sea un fluido en estado líquido a temperatura ambiente, o posea un calor de vaporización superior al que cabría esperar en moléculas covalentes con similar masa molecular. La estabilidad de los enlaces de hidrógeno disminuye al aumentar la temperatura; pero en caso del agua, a 100ºC todavía están presentes.

PROPIEDADES DEL AGUA. •

Elevada cohesión molecular. La íntima unión entre las moléculas, a través de los enlaces de hidrógeno, permite al agua ser un fluido dentro de un amplio margen de temperatura, además, un líquido incomprensible al mantener constante su volumen aunque se da fuertes presiones.

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Elevada tensión superficial. La molécula de la superficie de agua experimenta fuerzas de atracción netas hacia el interior del líquido. Esto favorece que dicha superficie oponga una gran resistencia a ser traspasada, y origina una “película superficial” que actúa como una tensa membrana.

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Elevada fuerza de adhesión. Las moléculas de agua tienen una gran capacidad de adherirse a las paredes de conductos de diámetros pequeños, yendo en contra de la gravedad, este fenómeno se conoce con el nombre de “capilaridad”

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Elevado calor latente. Las moléculas de agua han de absorber o ceder gran cantidad de calor al cambiar de estado físico. Este calor no produce alteración en la temperatura del agua. Se necesita 80cal/g (calor latente de fusión) para pasar de sólido a líquido y 327 cal/g (calor latente de vaporización) para pasar de líquido a gas.

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Elevado calor específico. Las moléculas de agua pueden absorber gran cantidad de calor sin elevar notablemente por ello su temperatura, ya que parte de la energía es empleada para romper los enlaces de hidrógeno.

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Elevado calor de vaporización. Cuando el agua pasa de estado líquido a estado gaseoso necesita absorber mucho calor para romper todos los enlaces de hidrógeno. Gracias a esta propiedad se puede eliminar gran cantidad de calor con poca pérdida de agua.

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Densidad. El agua en estado líquido es más densa que en estado sólido. En estado sólido el agua presenta todos sus posibles enlaces de hidrógeno-cuatro por cada molécula- formando un retículo que ocupa mayor volumen, por lo que es menos denso.

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Elevada constante dieléctrica. Esta propiedad indica la tendencia del agua a oponerse a las atracciones electrostáticas entre iones positivos y negativos. Este factor, su al de los disolventes líquidos, favorece la disolución de las redes cristalinas. Las moléculas de agua, debido a su carácter polar, tienden a disminuir las atracciones los iones de las sales y otros compuestos iónicos, facilitando su disociación en formaciones y aniones, y reteniéndolos por dipolos de agua que impiden su unión. Este fenómeno se conoce como solvatación iónica.

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Bajo grado de ionizacíon. En el agua líquida existe una pequeñísima cantidad de moléculas ionizadas (disociadas en sus iones), concretamente 1 de cada 10⁷ moléculas. Los protones o iones H⁺ no existen en disoluciones acuosas debido a que son muy pequeños y se estabilizan uniéndose a moléculas de agua para formar iones hidronio (H³O⁺). Por eso la disolución se expresa: 2H²O ←→H³O⁺ + OHEl producto de las concentraciones de los iones H³O⁺ y OH- es constante y se denomina “producto iónico”. Su valor para el agua pura a 25 ºC es: Kŵ= [H³O⁺][OH-]=1·10-¹⁴ En el agua pura, la concentración de iones H³O⁺ y OH- es la misma e igual a 1·10⁷ dado que cada uno es la mitad del producto iónico. En una disolución acuosa, el producto iónico también se mantiene constante pero la proporción de iones es variable, pues hay sustancias que al disolverse en agua liberan H⁺ o grupos OH-. Si la sustancia libera H⁺ se le denomina ácido. Si la sustancia disminuye la concentración de H⁺ o eleva la de los grupos OH- se le denomina base. Las disoluciones acuosas pueden ser: o Neutras, si la concentración de H³O⁺ y OH- es igual. o Ácidas, si la concentración de H³O⁺ es mayor que la de OH-. o Básicas, si la concentración de iones OH- es mayor que la de H³O⁺. Para conocer el grado de acidez o basicidad de una disolución se debe medir la cantidad de iones H³O⁺ que existe en ella. Dado que son cantidades muy pequeñas, para evitar el uso de cantidades exponenciales, se llama pH a la expresión -log H³O⁺. El pH del agua pura será 7. Las sustancias ácidas disueltas en ella bajarán el pH, y las básicas lo subirán. 23

o Disolución neutra pH= -log [H³O⁺] = -log 10⁻⁷= 7 o Disoluciones ácidas: pH<7 o Disoluciones básicas: pH>7

IMPORTANCIA BIOLÓGICA. •

Principal disolvente biológico. El agua, además de disociar compuestos iónicos, puede manifestar también su acción como disolvente mediante el establecimiento de enlaces de hidrógeno con otras moléculas que contienen grupos funcionales polares, como alcoholes, aldehídos o cetonas, provocando su dispersión o disolución.

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Función metabólica. El agua constituye el medio en el que se realizan la mayoría de las reacciones bioquímicas; en ocasiones, además, interviene de forma activa en la reacción, como en el caso de las hidrólisis. En el proceso de fotosíntesis, aporta electrones y H⁺ imprescindibles para la síntesis de moléculas orgánicas, y es responsable de la producción de O² Función estructural. La elevada cohesión de las moléculas permite al agua dar volumen a las células, turgencia a las plantas e incluso actuar como esqueleto hidrostático en algunos animales invertebrados. También explica las deformaciones que experimentan algunas estructuras celulares como el citoplasma.

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Función mecánica amortiguadora. El ser un líquido incompresible le permite ejercer esta función en las articulaciones de los animales vertebrados, constituyendo el líquido sinovial que evita el contacto entre los huesos.

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Función de transporte. La elevada capacidad disolvente del agua permite el transporte de sustancias en el interior de los seres vivos y su intercambio con el medio externo, facilitando el aporte de sustancias nutritivas y la eliminación de productos de desecho. La capilaridad contribuye a la ascensión de la savia bruta a través de los vasos leñosos.

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Función termorreguladora. El elevado calor específico del agua permite mantener contante la temperatura interna de los seres vivos. El elevado calor de vaporización explica la disminución de temperatura que experimenta un organismo cuando el agua se evapora en la superficie de un ser vivo.

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Permite la vida acuática en climas fríos. Su mayor densidad en estado líquido explica que al descender la temperatura, se forme una capa de hielo en la 24

superficie, que flota y protege de los efectos térmicos del exterior al agua líquida que queda debajo; este hecho permite la supervivencia de muchas especies. Esto también está causado porque el agua se mantiene en estado líquido hasta los 0ºC, cuando se empieza a congelar aunque por debajo de 4ºC ya se empieza a dilatar; por encima hasta los 100ºC se contrae.

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LAS SALES MINERALES. Las sales minerales son moléculas inorgánicas presentes en todos los seres vivos y se pueden encontrar disueltas o en estado sólido (precipitadas), y que también se pueden asociar a otras moléculas orgánicas. SALES MINERALES DISUELTAS Son las sales minerales solubles en agua; se encuentran disociadas en sus iones y forman parte de los medios internos intracelulares y extracelulares. Los iones con carga negativa o aniones más frecuentes en la materia viva son los cloruros, los fosfatos, los fosfatos monoácidos, los carbonatos, los bicarbonatos y los nitratos. Los iones con carga positiva o cationes más abundantes en la materia viva son el sodio, el calcio, el magnesio, el hierro y el potasio. FUNCIONES DE LAS SALES EN DISOLUCIÓN. Las sales minerales hidrosolubles, a través de sus iones, cumplen diversas funciones de tipo general, como es la colaboración en el mantenimiento de la homeostasis o equilibrio del medio interno; o bien de tipo específico, que dependen del sistema biológico en el que se encuentran. Además, pueden asociarse con otras moléculas orgánicas, como lípidos, proteínas o glúcidos. Además, funciones generales de las sales solubles son: •

Mantener el grado de salinidad en los organismos. Las concentraciones iónicas de sales minerales se mantienen constantes, dentro de unos ciertos límites, en los distintos organismos. En un mismo organismo, las concentraciones pueden variar de unos comportamientos a otros; por ejemplo, en el interior celular, la concentración salina varía considerablemente con respecto al plasma sanguíneo. Asimismo, en las concentraciones existen diferencias importantes de unos organismos a otros.

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Regular la actividad enzimática. La presencia de determinados iones activa o inhabilita reacciones bioquímicas, asociándose a la sustancia reaccionante (sustrato) o a la enzima. Los cationes metálicos como Zn²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺ o Mg²⁺ actúan como cofactores enzimáticos.

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Regular la presión osmótica y el volumen celular. La presencia de las sales en el medio interno celular es determinante para que se verifique la entrada o 26

salida de agua a través de la membrana. Los medios con alta concentración salina son hipertónicos con respecto a la que tienen una concentración salina menor, e hipotónicos en el caso contrario. Si el medio interno celular es hipertónico con respecto al exterior, se producirá entrada de agua que ocasionará aumento del volumen celular; si la concentración iónica en el interior es menor, se producirá el caso contrario. •

Estabilizar las dispersiones coloidales. Las sales minerales mantienen el grado de hidratación, y su disociación en iones contribuye al mantenimiento en suspensión de las partículas coloidales.

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Generar potenciales electrónicos. Los iones que se encuentran en el interior de las células no son los mismos que los del medio externo; por esto, a ambos lados de la membrana existe una diferencia de cargas eléctricas. Esta irregular distribución de iones provoca la existencia de un potencial de membrana que ejerce una fuerza sobre cualquier molécula con carga eléctrica.

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Regular el pH. La actividad biológica en el medio interno celular se produce a un determinado valor de pH. Las reacciones químicas que se verifican en los organismos producen variaciones del pH, y algunas sales minerales disueltas contribuyen a disminuir estas variaciones manteniendo el pH constante. Las disoluciones de sales que tienen esta función se denominan tampones o disoluciones amortiguadoras. Existen disoluciones amortiguadoras en todos los fluidos biológicos. Las más importantes son: el sistema tampón bicarbonato en el medio extracelular y el sistema fosfato en el medio intracelular.

DISOLUCIONES AMORTIGUADORAS DEL PH. Denominadas también tampón o buffer, son disoluciones de naturaleza variada que mantienen el pH constante cuando se le añade un ácido o una base. Generalmente, contiene dos especies iónicas en equilibrio formadas por ácidos débiles, sus bases conjugadas o bases débiles y sus ácidos conjugados. La alteración de pH del medio se contrarresta debido al desplazamiento del equilibrio entre estas dos especies. Existen disoluciones amortiguadoras en todos los fluidos biológicos. Son imprescindibles para mantener la vida, al permitir la realización de funciones bioquímicas y fisiológicas en las diferentes estructuras de los organismos. Los tampones fisiológicos pueden ser de naturaleza orgánica como las proteínas, los

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aminoácidos y el tampón hemoglobina, o de naturaleza inorgánica como el tampón bicarbonato o el tampón fosfato. En el sistema tampón bicarbonato, las dos especies son el ión bicarbonato y el ácido carbónico que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua. En el plasma sanguíneo, el CO² procedente del metabolismo celular se combina, de forma reversible, con H²O originando H²CO³. El ácido carbónico es un ácido débil que también puede disociarse en iones. El equilibrio de este sistema viene determinado por la siguiente ecuación. CO²+H²O

H²CO³

HCO³- +H⁺.

Cuando se produce un aumento de la concentración de H⁺, se elimina al exterior el exceso de CO² producido. Si, por el contrario, disminuye la concentración de H⁺, se toma el CO² del exterior.

SALES MINERALES PRECIPITADAS. Las sales minerales insolubles en la materia viva se encuentran en estado sólido. En cada organismo se forman diversos cristales de una o varias especies minerales con formas y tamaños específicos. Las sales minerales precipitadas que se encuentran en los seres vivos presentan diferencias importantes con respecto a las que se encuentran en la materia inorgánica. Se pueden asociar a macromoléculas, generalmente de tipo proteico, con las que interaccionan a través de grupos iónicos comunes y regulan el crecimiento de los cristales. Los cristales más abundantes en los organismos son de silicatos, carbonatos y fosfatos, estos últimos, de calcio y magnesio. FUNCIONES DE LAS SALES PRECIPITADAS. Las sales minerales precipitadas tienen, esencialmente, la función de formar estructuras de protección o sostén. CARBONATO CÁLCICO. Forma parte de los caparazones de protozoos marinos, como los foraminíferos. En animales vertebrados, endurece huesos y dientes. También constituye los otolitos, que son cristales o acúmulos de carbonato cálcico presentes en el oído interno, que permiten el mantenimiento del equilibrio. 28

Confiere rigidez a la estructura de algunas esponjas, y forma estructuras como las espinas de los erizos de mar. Constituye el esqueleto externo de los corales, forma las conchas de los moluscos gasterópodos y bivalvos, e impregna el exoesqueleto de algunos artrópodos. SILICATOS. Endurecen estructuras de sostén de algunos vegetales, como las gramíneas o los equisetos. Constituyen las espículas de algunas esponjas. Forman parte de los caparazones de protección que presentan algunos microorganismos, como los radiolarios y las diatomeas. FOSFATO CÁLCICO. Forma parte de la matriz mineral que compone los tejidos óseos de los animales vertebrados.

CARÁCTER COLOIDAL DE LA MATERIA VIVA. La gran cantidad de agua contenida en la materia viva actúa como disolvente o fase dispersante para diversas moléculas de soluto, que constituyen la fase dispersa. En general, se conocen como disoluciones verdaderas, que son mezclas homogéneas. También se dan mezclas heterogéneas denominadas dispersiones coloidales o simplemente coloides. Estas dispersiones pueden, a su vez, presentar dos estados físicos: •

•

Sol. Un coloide en forma de sol tiene aspecto líquido, ya que las moléculas de soluto que constituyen la fase dispersa se encuentran en menor cantidad que las de la fase dispersante líquida. Gel. Un coloide en forma de gel tiene aspecto semisólido y gelatinoso. Las moléculas de disolvente están atrapadas entre las de soluto, que se entrelazan formando una red continua que actúa como fase dispersante. La red impide que el disolvente fluya, por lo que el gel se comporta como un sólido blando y fácil de deformar. Los geles de pectinas se extraen de las membranas celulares de algunas frutas; la gelatina es una proteína gelificante que se obtiene de los huesos y la piel, y el colágeno puede formar fibras que se encadenan para formar geles.

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En las células, los estados de sol y gel se alternan según las variaciones de concentración de las partículas coloidales y los lugares en los que se encuentren.

LA ÓSMOSIS. La ósmosis es un fenómeno en el que se produce el paso o difusión de un disolvente a través de una membrana semipermeable desde una disolución más diluida a otra más concentrada. El agua es la molécula más abundante en el interior de todos los seres vivos, y es capaz de atravesar las membranas celulares que son semipermeables para penetrar en el interior celular y salir de él. Esta capacidad depende de la diferencia de concentración entre los líquidos extracelular e intracelular determinada por la presencia de sales minerales y moléculas orgánicas disueltas. Los medios acuosos separados por membranas semipermeables pueden tener diferentes concentraciones, y se denominan: • •

Hipertónicos, los que tienen una elevada concentración de solutos con respecto a otros en los que la concentración es inferior. Hipotónicos, los que contienen una concentración de solutos baja con respecto a otros que la tienen superior.

Las moléculas de agua se difunden desde los medios hipotónicos hacia los hipertónicos, provocando un aumento de presión sobre la cara de la membrana del comportamiento hipotónico, esta presión se denomina osmótica. Como consecuencia del proceso osmótico se puede alcanzar el equilibrio, igualándose las concentraciones; entonces, los medios serán isotónicos. LAS MEMBRANAS CELULARES SE COMPORTAN COMO MEMBRANAS SEMIPERMEABLES.

•

Cuando el medio externo celular es hipertónico con respecto al medio interno, sale de la célula agua por ósmosis; entonces: o Disminuye el volumen celular. o Aumenta la presión osmótica en el interior celular. En el caso de las células vegetales, este hecho provoca la rotura de la célula o plasmólisis, al desprenderse la membrana plasmática de la pared celular.

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•

Cuando el medio externo celular es hipotónico con respecto al medio interno, se produce entrada de agua hacia el interior de la célula, lo que ocasiona: o Aumento del volumen celular. o Disminución de la presión osmótica en el interior celular. En el caso de las células animales, puede producirse estallido celular o hemólisis. En las células bacterianas y vegetales, que presentan paredes rígidas, se produce turgencia celular.

•

Cuando el contenido celular es isotónico con respecto al medio externo, no se produce intercambio de agua entre ambos lados de la membrana.

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GLÚCIDOS. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. Los glúcidos son biomoléculas constituidas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, en la proporción que indica su fórmula empírica: Cn H2n On. Pueden contener excepcionalmente átomos de otros elementos, como nitrógeno, azufre o fósforo. Estos compuestos suponen hasta el 90% de las biomoléculas orgánicas en algunos organismos; de ahí si importancia biológica. Se conocen también como hidratos de carbono o carbohidratos, debido a que, inicialmente, se pensó que estaban formados por una estructura carbonada hidratada con moléculas de agua; hoy se sabe que no es así, aunque su fórmula empírica pueda sugerirlo. Químicamente, los glúcidos son aldehídos y cetonas con múltiples grupos hidroxilo. Los más complejos contienen, además, otros grupos funcionales orgánicos. Grupos funcionales: Hidroxilo.

-OH

Alcohol fosfórico

Carbonilo. O ¡¡ -C-

Cetona

Carbonilo.

Carboxilo.

Éster.

O // -C – O

O // -C – OH

O // -C – OR

Aldehído

Ácido

Éster.

Amino. Ión fosfato

-NH

O ¡ O–P-O ¡ O Amina

Éster

Los glúcidos más simples se denominan osas o monosacáridos. La unión de estos monómeros da lugar a moléculas más complejas llamadas ósidos, que pueden contener un número variable de osas e incluso asociarse a otras moléculas diferentes, como lípidos o proteínas. Los ósidos se pueden clasificar en varios grupos: 1. Holósidos. Son ósidos constituidos únicamente por osas. Según el número de monómeros unidos, se diferencian: a. Oligosacáridos. Contienen entre 2 y 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos, que resultan de la unión de dos monosacáridos. b. Polisacáridos. Están formados por múltiples unidades repetitivas de monosacáridos. Por su composición, se dividen en dos grupos: 32

i. Homopolisacáridos. Se forman por repetición de un mismo monómero. Se pueden dividir según su función. • Función estructural: como es el almidón para los vegetales, formado por n-glucosa, o la quitina para los animales, formado por n-N-acetil-D-glucosamina. • Función de reserva: como también lo es el almidón y el glucógeno para los animales, formado por n-glucosa. ii. Heteropolisacáridos. Su composición es más variada, ya que contienen más de un tipo de monómero. 2. Heterósidos. Son compuestos complejos que surgen de la combinación de un conjunto de monosacáridos con fracciones moleculares de naturaleza no glúcida, como las proteínas, lípidos u otras moléculas orgánicas diversas; por ejemplo, alcoholes o fenoles.

LOS MONOSACÁRIDOS. PROPIEDADES. Los monosacáridos son sólidos cristalinos, de color, blanco y solubles en agua. Presentan un característico sabor dulce, por lo que reciben el nombre de azúcares. Además, todos los monosacáridos tienen poder reductor, debido a la presencia de los grupos aldehído o cetona, que pueden oxidarse a carboxilos. COMPOSICIÓN QUÍMICA. Los monosacáridos contienen entre 3 y 7 átomos de carbono; se denominan triosas, tetrosas, pentosas, hexosas o heptosas si el número de átomos de carbono es, respectivamente, 3, 4, 5, 6 ó 7. Químicamente, son polihidrioxialdehídos o polihidroxicetonas, es decir, polialcoholes con un grupo aldehído o cetona. Según el grupo funcional principal, se clasifican en: • •

Aldosas: tienen un grupo aldehído en el C1, y grupos hidroxilo en el resto de los carbonos. Cetosas: tienen un grupo funcional cetona en el C2, y grupos hidroxilo en el resto de la cadena.

Los monosacáridos se nombran anteponiendo el prefijo aldo- o ceto- al nombre que indica el número de átomos de carbono, seguido de la terminación –osa. Por ejemplo, un monosacárido de tres átomos de carbono cuyo grupo funcional principal es un 33

aldehído, se denomina aldotriosa, y será una cetotriosa si el grupo funcional es una cetona. ISOMERÍA. La isomería es una característica de muchos compuestos que, siendo diferentes, tienen la misma fórmula molecular. Los monosacáridos presentan con frecuencia esta característica. Existen varios tipos de isomería: •

Isomería de función. La presentan los compuestos que, como las aldosas y las cetosas, poseen idéntica fórmula molecular, pero son diferentes por tener grupos funcionales distintos. Es el caso del gliceraldehído y la dihidroxiacetona, cuya fórmula molecular es C³H⁶O³.

•

Isomería de posición. La presentan los compuestos que se diferencian sólo por la posición de sus grupos funcionales.

•

Isomería óptica. La presentan aquellos monosacáridos en disolución que tienen carbonos asimétricos. Consiste en el desvío del plano de polarización de un haz de luz polarizada que atraviesa la disolución. Si el desvío es hacia la derecha se llama dextrógiro o (+) y si es hacia la izquierda, levógiro o (-).

•

Estereoisomería. La presentan moléculas aparentemente iguales, pero con diferentes propiedades, porque sus átomos de carbono tienen diferente disposición espacial. Se debe a la presencia de carbonos asimétricos (carbonos unidos a cuatro radicales diferentes entre sí). Entre los estereoisómeros se distinguen: o Enantiómeros: la posición de todos los –OH de los carbonos asimétricos varía. Por tanto, una molécula es el reflejo de su enantiómero (son imágenes especulares). La posición del grupo –OH del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo permite diferenciar ambas moléculas. � La forma D, cuando el –OH está a la derecha. � La forma L, cuando el –OH está a la izquierda. o Diastereoisómeros o diasterómeros: son estereoisómeros que presentan la misma forma (D o L), y no son imágenes especulares. Se denomina epímeros cuando se diferencian en la posición –OH de un único carbono asimétrico.

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ACTIVIDAD ÓPTICA. La presencia de carbonos asimétricos determina una importante propiedad de los monosacáridos en disolución: la actividad óptica. Esta es la capacidad que poseen estas moléculas para desviar el plano de polarización de un haz de luz polarizada que atraviesa la disolución. Cada molécula efectúa una rotación del plano de polarización; un ángulo concreto hacia la derecha o hacia la izquierda. • •

Cuando la rotación es en el sentido de las agujas del reloj, los monosacáridos se denominan dextrógiros o (+). Cuando la rotación es contraria a las agujas del reloj, son levórigos o (-).

Estos isómeros ópticos no se corresponden necesariamente con las moléculas estereoisómeras D y L; puede ocurrir que un estereoisómero D sea levógiro o dextrógiro, y lo mismo ocurre con un estereoisómero L. FÓRMULAS LINEALES. La forma más frecuente de representar los monosacáridos en el plano es mediante proyecciones de Fischer, en las que los enlaces simples forman ángulos de 90⁰ (resultado de proyectar en el plano las estructuras tetraédricas de los carbonos). Se sitúa el grupo funcional principal en la parte superior, y los grupos hidroxilo a la derecha o a la izquierda según se representen estereoisómeros D o L, respectivamente. En la naturaleza, salvo raras excepciones, los monosacáridos se presentan en la forma D.

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Fórmulas lineales (cetosas).

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FÓRMULAS CÍCLICAS. Las aldopentosas y las hexosas en disolución no presentan estructura lineal, sino que adoptan estructuras cíclicas de forma pentagonal o hexagonal. En 1929, Haworth diseñó unas fórmulas de proyección, conocidas como proyecciones de Haworth, que representan a los monosacáridos como estructuras cíclicas en un plano con radicales de cada carbono en la parte superior o inferior de dicho plano. ENLACE HEMIACETÁLICO. La formación del ciclo se realiza mediante un enlace hemiacetal, que supone un enlace covalente entre el grupo aldehído y un alcohol (en el caso de las aldosas), o un enlace hemicetal entre el grupo cetona y un alcohol (en el caso de las cetosas). Este enlace no implica pérdida ni ganancia de átomos, sino una reorganización de los mismos. • •

•

El ciclo resultante puede tener forma pentagonal (furano) o hexagonal (pirano), denominándose los monosacáridos furanosas o piranosas, respectivamente. El carbono carbonílico correspondiente a los grupos aldehído y cetona se designa en la fórmula cíclica con el nombre de carbono anomérico, y queda unido a un grupo –OH. La posición del grupo –OH unido al carbono anomérico determina un nuevo tipo de isomería conocida como anomérica. Existen dos formas anoméricas: o Forma alfa (α). El –OH del carbono anomérico queda bajo el plano. Se denomina configuración trans, al quedar este –OH en el lado contrario al –OH del carbono exterior al ciclo. o Forma beta (ß). El –OH del carbono anomérico queda sobre el plano. Se denomina configuración cis, al quedar este –OH en el mismo lado que el del carbono exterior al ciclo.

La conformación real de los monosacáridos en disolución varía con respecto a la propuesta por Haworth ya que, debido a la presencia de enlaces covalentes sencillos, las moléculas no pueden ser planas. Se han sugerido otras formas de representación, en silla y en bote, en las que los carbonos C2, C3 y C5, y el oxígeno están en el mismo plano. La configuración en silla es más estable que la configuración en bote porque hay menos repulsiones electrostáticas.

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IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LOS MONOSACÁRIDOS. Los monosacáridos tienen gran interés por ser los monómeros constituyentes de todos los glúcidos. También se presentan libres, y actúan como nutrientes de las células para la obtención de energía, o como metabolitos intermediarios de importantes procesos biológicos, como la respiración celular y la fotosíntesis. TRIOSAS. El gliceraldehído y la dihidroxicetona se encuentran, en forma de ésteres fosfóricos, en el interior de las células de la mayoría de los organismos, donde participan como intermediarios en el metabolismo de la glucosa y de otros glúcidos. No forman estructuras cíclicas. TETROSAS. La eritrosa es un compuesto intermediario de secuencias bioquímicas en los procesos de nutrición autótrofa. Como el resto de las tetrosas, no forma estructura cíclica. PENTOSAS. Las más importantes son: • • • •

Ribosa. Es un componente estructural de nucleótidos en estado libre, como el ATP; y de los ácidos nucleicos, como el ácido ribonucleico (ARN). Xilosa. Es el componente del polisacárido xilana, presente en la madera. Arabinosa. Es uno de los pocos monosacáridos que en la naturaleza se encuentra en la forma L. Se encuentra en la goma arábiga. Ribulosa. Actúa como intermediario activo en la fijación del CO² atmosférico en los organismos autótrofos. Al ser cetopentosa, no presenta estructura cíclica.

HEXOSAS. Las más comunes son: • Glucosa. También llamada azúcar de la uva. Es el principal nutriente de los seres vivos que, mediante la respiración celular, es degradado parcial o totalmente para obtener energía. Se encuentra libre en el citoplasma celular, en los frutos y en la sangre. Además, es el constituyente de los polisacáridos más comunes –almidón y celulosa- en vegetales, y glucógeno en animales. • Galactosa. No se encuentra libre, forma parte de la lactosa (disacárido de la leche), de polisacáridos complejos y de heterósidos.

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•

•

Manosa. Es el componente de polisacáridos presentes en vegetales, bacterias, levaduras y hongos. Forma parte de la estreptomicina; sustancia de actividad antibiótica. Fructosa. Se encuentra en las frutas –libre o unida a la glucosa – formando el disacárido sacarosa. Actúa en el líquido seminal como nutriente de los espermatozoides. Las células hepáticas la transforman en glucosa, por lo que tiene un valor nutritivo equivalente. Se denomina también levulosa, por ser una molécula fuertemente levógira.

DERIVADOS DE MONOSACÁRIDOS. Los monosacáridos experimentan diversos cambios en su estructura química por adición de funciones, sustitución de radicales, etc., originando moléculas de gran interés biológico. FOSFATOS DE AZÚCAR (ÉSTERES FOSFÓRICOS) Son monosacáridos unidos mediante enlace éster a un grupo fosfato. Están en el citoplasma de todas las células y son intermediarios en el metabolismo de glúcidos. La α-D-fructosa-6-fosfato, el D-gliceraldehído-3-fosfato o la α-D-glucosa-6-fosfato son ejemplos de este grupo. DESOXIAZÚCARES. Son monosacáridos reducidos que han perdido un grupo hidroxilo. El más abundante en la naturaleza es la 2-desoxirribosa, que se encuentra en el ADN. La fucosa (6-desoxigalactosa) es un componente de la pared celular de las bacterias. POLIALCOHOLES. Son derivados de monosacáridos que, por reducción, transforman su grupo funcional característico (aldehído o cetona) en alcohol. Algunos, como el glucitol (derivado de la glucosa), se utilizan comercialmente como edulcorantes. Otros son componentes de algunos lípidos, como el glicerol o glicerina (derivado del gliceraldehído) o el mio-inositol (derivado de la glucosa), que se encuentran en el fosfatidil inositol (un lípido de membrana) y en el ácido fítico presente en tejidos de plantas superiores. AZÚCARES ÁCIDOS. Son derivados de monosacáridos que, por oxidación, transforman grupos aldehído o hidróxilo en ácido (-COOH). Los más importantes son:

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•

•

Los ácidos aldónicos: surgen de la oxidación del aldehído de las aldosas. El ácido D-glucínico en su forma fosforilada es intermediario en el metabolismo de los glúcidos. Por ejemplo, participa en rutas secundarias para obtener energía de la oxidación de la glucosa en tejidos animales. Ácidos urónicos: Se obtienen por oxidación del grupo hidroxilo del C⁶. El ácido D-glucurónico integra el tejido conjuntivo, y el ácido ascórbico (vitamina C) es indispensable en la dieta. Se encuentra en la mayor parte de los tejidos vegetales y animales.

AMINOAZÚCARES. Un grupo alcohol se sustituye por un grupo amino (-NH²). No suelen encontrarse aislados, forman polímeros, y en algunos casos se adicionan otros radicales. La Dglucosamina forma parte del cartílago; la N-acetil-ß-D-glucosamina es la unidad molecular de la quitina, principal componente del exoesqueleto de los artrópodos; el ácido murámico, más concretamente el ácido N-acetilmurámico, es un componente esencial de la pared bacteriana, y el ácido N-acetilneuramínico se encuentra en el glucocálix de las celúlas animales.

LOS OLIGOSACÁRIDOS. Son cadenas cortas formadas por la unión de 2 a 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos, que contienen dos monosacáridos unidos mediante enlace O-glucosídico. EL ENLACE O-GLUCOSÍDICO. Se establece entre dos grupos hidroxilo de diferentes monosacáridos. Se denomina síntesis por condensación o deshidratación debido a la liberación de una molécula de agua. •

•

Si en el enlace intervienen el hidroxilo del carbono anomérico del primer monosacárido y otro grupo alcohol del segundo monosacárido, se establece un enlace monocarbonílico. Sin intervienen los grupos hidroxílicos de los carbonos anoméricos de los dos monosacáridos, será un enlace dicarbonílico.

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LOS DISACÁRIDOS. Se forman por la unión de dos monosacáridos mediante enlace O-glucosídico mono o dicarbonílico, que, además, puede ser α o ß en función de la posición del –OH del carbono anomérico del primer monosacárido. Los disacáridos con enlace dicarbonílico pierden el carácter reductor porque los carbonos carbonílicos de los dos monosacáridos están implicados. Disacáridos de mayor interés biológico: MALTOSA. Llamado azúcar de malta, el producto de la hidrólisis del almidón o del glucógeno. Está formado por dos moléculas de α-D-glucosa unidas por enlace monocarbonílico α(1→4) fácilmente hidrolizable. Posee carácter reductor. LACTOSA. Es el azúcar de los mamíferos. Está formado por la unión monocarbonílica ß (1→4) de ß-D-galactosa y ß-D-glucosa. Posee carácter reductor y se encuentra libre, ya que no forma polímeros. SACAROSA. Es el azúcar de consumo habitual. Se extrae de la caña de azúcar y de la remolacha. Está formado por la unión dicarbonílica α(1→2) de α-D-glucosa y ß-D-frustosa. Para establecer el enlace, la fructosa sufre un giro a la vez que rotan todos los radicales. No posee carácter reductor. CELOBIOSA. No existe en estado libre en la naturaleza, pues resulta de la hidrólisis de la celulosa. Está formado por dos moléculas de ß-D-glucosa unidas con enlace ß(1→4) monocarbonílico. Posee carácter reductor, y se hidroliza con dificultad.

POLISACÁRIDOS Son polímeros constituidos por la unión de muchos monosacáridos mediante enlaces o-glucosídicos, que originan largas cadenas moleculares. Estas cadenas pueden ser lineales o ramificadas. Pueden contener enlaces glucosídicos tipo α o ß. Los enlaces α son más débiles, y se rompen y forman con gran facilidad, por lo que se encuentran en los polisacáridos con 41

función de reserva, como el almidón o el glucógeno. El enlace tipo ß es mucho más estable y resistente, por lo que es característico de polisacáridos con función estructural, como es el caso de la celulosa. Los polisacáridos no se consideran azúcares, ya que carecen de sabor dulce y no tienen carácter reductor. Algunos, como la celulosa, son insolubles en agua; otros, como el almidón, forman dispersiones coloidales. Además, tienen bajo peso molecular. HOMOPOLISACÁRIDOS. Los homopolisacáridos son los polisacáridos más abundantes, y están constituidos por un solo enlace de tipo monosacárido. La función de los homopolisacáridos estructurales es proporcionar soporte y protección a diversas estructuras y organismos. Atendiendo a su disposición, se distinguen: •

Celulosa. Es un polímero lineal de moléculas ß-D-glucosa con enlaces ß (1-4). Debido a este tipo de enlace, cada molécula de glucosa gira 180º respecto a sus vecinas. Entre las moléculas de glucosa de una misma cadena se establecen enlaces de hidrógeno intracatenarios. Además, las cadenas lineales se disponen en paralelo, y se mantienen estrechamente unidas a otras mediante puentes de hidrógeno intercatenarios. Esta configuración confiere a la celulosa una estructura de gran resistencia. La unión de unas 60 ó 70 cadenas de celulosa forma la llamada micela de celulosa. A su vez, la asociación de 20 ó 30 micelas da lugar a una microfibrillas que se puede unir con otras para originar fibras de diferente grosor, que forman capas o láminas en dirección alternante y constituyen el entramado esencial de la pared celular vegetal. La celulosa es insoluble en agua y solo puede ser hidrolizada totalmente a glucosa por algunas enzimas (celulasas) producidas por microorganismos, como las bacterias de la flora intestinal de los animales herbívoros o como los protozoos que viven en el intestino de las termitas.

•

Quitina. Es un polímero lineal de N-acetil-ß-D-glucosamina con enlaces ß (1-4). Forma parte del exoesqueleto de los artrópodos y de las paredes celulares de los hongos. Su estructura es similar a la de la celulosa, y, como ella, forma capas alternas. Esta cualidad les confiere a los organismos una resistencia y dureza. Se piensa que el exoesqueleto de quitina es una de las claves del gran éxito evolutivo de los artrópodos, ya que contirbuye a su locomoción y les proporciona protección frente a las agresiones externas del medio que les rodea

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HOMOPOLISACÁRIDOS DE RESERVA.

Las células necesitan cantidades variables de energía, que obtienen preferentemente a través de la degradación de la glucosa. Los seres vivos almacenan este monosacárido en forma de polisacáridos de reserva, que se acumula en gránulos insolubles en el citoplasma celular. Este tipo de almacenamiento no provoca aumento de la presión osmótica, como ocurriría si se almacenan moléculas libres de glucosa. Los homopolisacáridos de reserva de mayor interés biológico son: •

Almidón. Es el homopolisacárido de reserva de las células vegetales. Está formado por una mezcla de dos componentes con diferentes estructuras: o La amilasa, constituida por cadenas largas no ramificadas de moléculas α-D-glucosa unidas mediante enlaces α (1-4), que adoptan un arrollamiento helicoidal. o La amilopectina, muy ramificada, con un esqueleto de monómeros de αD-glucosa con uniones α (1-4) y puntos de ramificación con enlaces α (16) cada 15 ó 30 monómeros. El almidón se encuentra en los plastos de las células vegetales, y es abundante en los órganos de reserva de las plantas, como tubérculos o raíces, y en semillas. El almidón se hidroliza por enzimas específicas, llamadas amilasas, que se sintetizan en la mayoría de los organismos, y rinden glucosa, maltosa y fragmentos que contienen los puntos de ramificación α (1-6). La α-amilasa hidroliza al azar los enlaces α (1-4) del interior de las cadenas amilosa y amilopectina, liberando glucosa y maltosa; mientras que la ß amilasa comienza a hidrolizar por los extremos no reductores, rindiendo maltosa. Estas enzimas no contienen las ramificaciones requieren, además, de enzimas desramificadas capaces de hidrolizar el enlace α (1-6), que tampoco es atacado por las amilasas. La acción de otras enzimas digestivas completa la degradación total a α-D-glucosa. El almidón es abundante en la dieta de numerosos seres vivos, y constituye la base de la dieta de la mayor parte de la humanidad (maíz, trigo, patatas, legumbres, etc.).

•

Glucógeno. Es el homopoliscárido de reserva de las ceĺulas animales. Su constitución es similar a la de las cadenas de amilopectina con enlaces α (1-4), aunque posee más ramificaciones de α(1-6); aproximadamente, 1 de cada 8 ó 12 monómeros. 43

Se almacena en forma de granúlos en el hígado y en el músculo esquelético, donde se hidroliza fácilmente y rinde gran cantidad de glucosa cuando se requiere. En una persona bien nutrida de 70 Kg, la cantidad total de glucógeno es de 375 a 475 g; de ellos, aproximadamente el 70% corresponde a glucógeno muscular, el 25% a glucógeno hepático y el 5% a glucosa sanguínea. •

Dextranos. Polímeros de α-D-glucosa con enlaces distintos de los α (1-4) del glucógeno y el almidón con múltiples ramificaciones. Según las especies, las ramificaciones pueden ser 1-2, 1-3, 1-4 ó 1-6.

HETEROPOLISACÁRIDOS. Son polisacáridos formados por diferentes monosacáridos. Los principales heteropolisacáridos, por su importancia biológica, son: •

Pectinas. Son polímeros de ácido galacturónico, que es un derivado de la galactosa. Se encuentran en la pared celular de las células vegetales, donde forman una matriz en la que se disponen las fibras de celulosa. Es el responsable del aspecto gelatinoso de la mermelada.

•

Hemicelulosas. Son un conjunto muy heterogéneo de polisacáridos. Están formados por un solo tipo de monosacáridos unidos por enlaces ß (1-4). Se encuentran en la pared celular de las células vegetales.

•

Agar-Agar. Polímero de galactosa. Actúa como espesante de líquidos. Se utiliza como base para elaborar medios de cultivo sólidos para microorganismos.

•

Gomas. Con función defensiva en plantas. Ejemplo, la goma arábiga.

•

Mucílagos. Similares a las gomas. Se utilizan en la industria farmacéutica para la elaboración de preparados saciantes en dietas hipocalóricas.

•

Peptidoglucanos. Son polímeros de N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico unidos mediante enlaces ß (1-4). A esta cadena principal se unen cadenas cortas de aminoácidos. Forman parte de la pared bacteriana, y su función es proteger a las bacterias de la deformación o destrucción en condiciones de presión osmótica desfavorable. También recibe el nombre de mureína.

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•

Glucosaminoglucanos (antiguamente llamados mucopolisacáridos). Son polímeros lineales de N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina y ácido glucurónico. Se encuentra en la matriz extracelular de los tejidos conectivos, donde cumplen funciones. Están muy hedratados, y forman un gel. Existen varios tipos de glucosaminoglucanos. Algunos de ellos son: o Ácido hialurónico. Se encuentra en el tejido conjuntivo, humor vítreo del ojo y líquidos sinoviales. o El condroitín sulfato. Está presente en el tejido cartilaginoso y en el tejido óseo. Sirve para recuperarnos de las fracturas. o Heparina. Se localiza en pulmón, hígado y piel. Actúa como sustancia anticoagulante y evita que se formen trombos. Tanto el condroidín como la heparina se encuentran unidos covalentemente a una proteína central, por lo que forman heterósidos llamados proteoglucanos. A cada proteína central se unen hasta 100 cadenas de glucosaminoglucanos, formando estructuras de gran tamaño.

HETERÓSIDOS. Moléculas de enorme variedad, constituidas por un glúcido unido a otra molécula no glúcida denominada aglucón que puede ser una proteína, un lípido u otro tipo de molécula. Atendiendo a la naturaleza de la fracción no glúcida, se distinguen las siguientes clases: •

Glucolípidos.

El aglucón es un lípido denominado ceramida cuya estructura es una esfingosima más un ácido graso, unido a un glúcido. Los más importantes son los cerebrósidos, que contienen galactosa o glucosa; y los gangliósidos, con un oligosacárido ramificado. Los glucolípidos son moléculas de membrana, presentes, fundamentalmente, en la superficie externa de las células del tejido nervioso; aunque también existen en otros tejidos animales. Existe una gran variedad de glucolípidos. Se piensa que intervienen en el reconocimiento celular, proporcionando a las células sus señas de identidad. Probablemente, también tengan la función de receptores de moléculas extracelulares que actúen como señales. Algunas bacterias y virus se unen a estas moléculas como paso previo a la infección de las células. Son el responsable de los grupos sanguíneos.

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•

Glucoproteínas.

Es la fracción no glucídica en una molécula de naturaleza proteica. Se diferencian de los peptidoglucados y de los proteoglucanos porque en las glucoproteínas, el porcentaje de proteína es mayor que el de glúcido. En este grupo se encuentran glucoproteínas sanguíneas o séricas como la protrombina, que interfiere en el proceso de coagulación; o las inmunoglobulinas, con función defensiva. También son glucoproteínas diversos tipos de hormonas, como la luteinizante (LH), que provoca la ovulación en las hembras o la producción de testosterona en los machos; o la foliculoestimulante (FSH), que estimula la secreción de los folículos de De Graaf en el ovario. Otras glucoproteínas de importancia biológica son las presentes en la superficie externa de la membrana. Pueden actuar como receptores de mensajes químicos y de microorganismo infecciosos, o en procesos de reconocimiento celular. En los trasplantes, actúan como determinantes antigénicos, provocando fenómenos de rechazo. •

Principios activos de plantas medicinales.

Son heterósidos en los que el aglucón es una molécula orgánica de naturaleza variaa, como alcohol, fenol, etc. Se emplean, con frecuencia, en la industria farmacéutica; aunque en dosis inadecuadas, pueden provocar intoxicaciones o efectos letales. Los cardiotónicos, como la digitalina, se aplican en enfermedades cardiovasculares; los cianogénicos, presentes en las almendras amargas, liberan ácido cianhídrico de efecto mortal; la glicirrina, en la raíz del regaliz, tiene efecto expectorante y antiinflamatorio: los antracénicos, efecto laxante y, junto con los tanósidos que son antringentes, sirven para curtir pieles.

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Heterósisos Proteína

Lípido unido a

Monosacáridos Cerebrósidos

Otras moléculas orgánicas

en proporción

Oligosacáridos Gangliósidos

Séricas Protrombina Inmunoglobulinas

actúan como

Baja

Alta Glucoproteínas

Hormonas Ganodotrópicas LH FSH

En forma de Péptido

Proteína

De membrana

Peptidoglucanos

Proteroglucanos Heparina

Principios activos en plantas medicinales Cardiotónicos Cianogenéticos Glicirrina Antracénicos Tanósidos

Condroitin sulfato

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LÍPIDOS CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN Los lípidos pertenecen a un grupo de sustancias químicas muy heterogéneo, tanto desde el punto de vista estructural como desde el funcional. Químicamente, los lípidos están constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno, y en múltiples ocasiones contienen, además, fósforo y azufre. La cantidad de oxígeno en estos compuestos es muy inferior en proporción a la cantidad de carbono e hidrógeno, circunstancia que determina sus propiedades y la diferencia de otros compuestos – como ocurre, por ejemplo, en los glúcidos – que contienen los mismos elementos químicos, pero en distinta proporción. Es necesario recurrir a las propiedades físicas para completar la descripción de los lípidos. Todos tienen en común que son sustancias untuosas al tacto, escasamente solubles en agua y solubles en disolventes apolares orgánicos (como el éter, el cloroformo, el xileno o el benceno). Son estos los disolventes que se utilizan para extraerlos de las células y de los tejidos donde se encuentran localizados. Con la denominación de lípido se agrupa un número variado de compuestos con diversas funciones biológicas: • • •

Estructurales. En todas las células son los elementos mayoritarios de las membranas. Energéticas. Algunos, como los triacilglicéridos, son eficientes reservas para el almacenamiento de energía. Vitamínicas y hormonales. Muchas de las vitaminas y hormonas presentes en los vertebrados son lípidos o derivados de lípidos.

CLASIFICACIÓN DE LOS LÍPIDOS. Dada la heterogeneidad de estos compuestos, se pueden utilizar numerosos criterios para clasificarlos. Según su estructura molecular, se clasifican en: •

Saponificables. Contienen en su molécula ácidos grasos, que son ácidos monocarboxílicos que pueden o no tener insaturaciones (dobles enlaces), y están esterificados. Los lípidos saponificables, cuando se les somete a una hidrólisis alcalina, forman jabones, que químicamente son sales de los ácidos grasos; esta reacción química se denomina saponificación. Se pueden clasificar según tengan: o Un alcohol glicerina (glicerolípidos). A la vez, este puede tener: 48

� Glicerina + 3 ácidos grasos. Dando así: acilglicéridos o glicéridos. Estos además pueden ser monoacilglicéridos, diacilglicéridos o triacilglicéridos (aceites y grasas). � Glicerina +2 ácidos grasos + Otra molécula. Esta otra molécula, puede ser: • 1 Ácido fosfórico + otra molécula derivada de un aminoacído, llamándose así glicerofosfolípidos. • 1 glúcido, siendo entonces gliceroglucolípidos. o Alcohol esfingosina (esfingolípidos). Estos pueden ser: � Esfingosina + acido graso + 1 glúcido. Siendo entonces esfingoglucolípidos. � Esfingosina + ácido graso + ácido fosfórico + otra molécula. Llamándose entonces esfingofosfolípidos. Si relacionamos este esquema con los glúcidos, podemos ver que los glucolípidos (heterósidos), se desdoblan en esfingoglucolípidos y gliceroglucolípidos, coincidiendo con lo dado ahora. Los fosfolípidos, que se dividen en esfingoglucolípidos y glicerofosfolípidos, forman una estructura bicapa-lipídica. •

Insaponificables. Son derivados de hidrocarburos lineales o cíclicos insaturados que forman asociaciones moleculares diversas. No contienen ácidos grasos y, por tanto, no dan reacciones de saponificación. Pertenecen a este grupo los terpenos, los esteroides y las prostaglandinas.

ÁCIDOS GRASOS. Son ácidos orgánicos monocarboxílicos, insolubles en agua y de cadena larga, de fórmula CH³ - (CH²) ^n – COOH, con número par de átomos de carbono, y en los que n oscila entre 10 y 22. Los ácidos grasos pueden estar libres o formando parte de la molécula de un lípido saponificable. Se clasifican en: •

Saturados. No tienen dobles enlaces y suelen ser sólidos a temperatura ambiente. Los más abundantes son el palmítico (16 átomos de carbono –C¹⁶), presente en las grasas animales y en la manteca de cacao, y el esteárico (18 átomos de carbono –C¹⁸). En menor cantidad hay otros ácidos grasos saturados; por ejemplos, el ácido decanoico (10 átomos de carbono –C¹⁰), que se encuentra en la leche de los mamíferos.

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•

Insaturados. Tienen en su cadena carbonada uno o más dobles enlaces; en este último caso, se denominan poliinsaturados. Generalmente, son líquidos a temperatura ambiente. De los monoinsaturados, el más importante es el ácido oleico (C¹⁸), con un doble enlace situado entre los carbonos 9 y 10. Se encuentra en el aceite de oliva, y es el más abundante en la membrana plasmática de las células animales. Entre los poliinsaturados, los más importantes son el linoleico (C¹⁸ y dos insaturaciones), el linolénico (C¹⁸ y tres insaturaciones) y el araquidónico (C²⁰ y cuatro insaturaciones). Ninguno de ellos es sintetizado por mamíferos, pero al igual que las vitaminas, son necesarios para el desarrollo, por lo que se consideran esenciales y se denominan vitamina F, aun no siendo verdaderas vitaminas. Los vegetales sí los sintetizan y son nuestras fuentes naturales para incorporarlos a la dieta habitual.

PROPIEDADES FISIOQUÍMICAS DE LOS ÁCIDOS GRASOS. •

•

•

Los ácidos grasos son anfipáticos. Poseen dos zonas: una polar, que contiene el grupo carboxilo (-COOH), de carácter hidrófilo; y otra apolar, que es la cadena carbonada (alifática) e hidrófoba. El carboxilo establece enlaces de hidrógeno con otras moléculas polares, mientras que la cadena alifática interacciona mediante fuerzas de Van der Waals con otras cadenas de ácidos grasos adyacentes. Reaccionan con los alcoholes, formando ésteres y liberando agua. Se hidrolizan en presencia de álcalis (saponificación), formando sales de sodio o potasio (jabones). El grado de insaturación y la longitud de la cadena alifática determinan el punto de fusión. Este aumenta con la longitud de la cadena, ya que las interacciones de Van der Waals con otras cadenas semejantes se incrementan. Sin embargo, la presencia de dobles enlaces origina codos en las moléculas que, además de acortarlas, favorecen la disminución del punto de fusión para reducir el número de interacciones con otras cadenas.

GRASAS Y CERAS. Las grasas y ceras son lípidos saponificables porque sufren hidrólisis alcalina o reacciones de saponificación. Ambos tipos de sustancias están formados por ácidos grasos de cadena larga, y se diferencian en el tipo de alcohol con el que están esterificados.

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GRASAS. También llamadas acilglicéridos. Son compuestos formados por glicerina (propanotriol) esterificada con una, dos o tres moléculas de ácidos grasos; se denominan, respectivamente, monoacilglicéridos, diacilglicéridos y triacilglicéridos. Los triacilglicéridos son las grasas más abundanes, pueden tener los tres ácidos grasos iguales – como en el caso de la tripalmitina, que contiene tres moléculas de ácido palmítico – o diferentes. La mayoría de las grasas naturales son mezclas de elevada complejidad. Las grasas son moléculas apolares y prácticamente insolubles en agua, debido a que los grupos hidroxilo (-OH) de la glicerina, que son polares, están unidos mediante un enlace éster a los grupos carboxilo (-COOH) de los ácidos grasos. Según su punto de fusión, las grasas se clasifican en: •

•

Grasas de origen vegetal. Contienen, fundamentalmente, ácidos grasos insaturados, lo que favorece que el punto de fusión sea bajo y que sean lípidos a temperatura ambiente. Abundan en las semillas de vegetales (girasol, maíz, soja o sésamo) y en los frutos (aceitunas). Grasas de origen animal. En su mayoría, contienen ácidos grasos saturados, poseen puntos de fusión elevados y a temperatura ambiente son sólidas, como por ejemplo, la mantequilla o los sebos animales.

Suponen la principal reserva energética tanto en los animales como en los vegetales. Se acumulan en vacuolas en las células vegetales, y en los mamíferos lo hacen en células especializadas del tejido adiposo denominadas adipocitos. A pesar de que otras moléculas, como el glucógeno y el almidón, son consideradas las principales fuentes de energía directa por su rápida movilización al ser solubles en agua, el aporte energético de las grasas es muy superior. Cada gramo de grasa libera 9 Kcal (37,62 kJ), frente a 3,75 kcal (17,68 kJ) que aporta la misma cantidad de glúcido. Otras funciones de las grasas son las de actuar como aislantes térmicos y almacén de alimento. Ciertos animales homeotermos que viven en climas fríos poseen bajo la piel una capa de grasa que los aísla de las bajas temperaturas; otros que hibernan durante largos períodos acumulan grasas bajo la piel y alrededor de órganos para utilizarla como alimento. CERAS. Son ésteres de un ácido graso de cadena larga (entre 14 y 36 átomos de carbono) y un monoalcohol, también de cadena larga (entre 16 y 36 átomos de carbono). Debido a que los dos extremos de la cadena tienen naturaleza hidrófoba, son sustancias 51

marcadamente insolubles en agua y realizan funciones de protección y de revestimiento. En los animales vertebrados, recubren e impermeabilizan la piel, el pelo y las plumas; en los insectos, el exoesqueleto; y en las plantas, forman una película que recubre hojas, frutos, flores y tallos jóvenes, protegiéndolos de la evaporación y de los ataques de los insectos. Industrialmente, se utilizan ceras como la lanolina (grasa obtenida de la lana de la oveja) o el aceite de esperma de cachalote para fabricar suavizantes y lubricantes.

LOS FOSFOLÍPIDOS. Los fosfolípidos son lípidos saponificables que también se denominan fosfoglicéridos, y son los principales componentes de las membranas biológicas. Químicamente, están constituidos por glicerina esterificada en el carbono 3 con un grupo fosfato (glicerol -3- fosfato), y en los carbonos 1 y 2 por sendos ácidos grasos. Generalmente, el ácido graso que esterifica en el C¹ es saturado, mientras que el que lo hace el C² es insaturado. El grupo fosfato está unido mediante enlace éster a un sustituyente polar que puede ser aminoalcohol o polialcohol. El ácido fosfatídico es el fosfolípido más sencillo: en el C¹ esterifica el ácido esteárico, y en el C² el oleico, mientras que el grupo fosfato no está sustituido. Los fosfolípidos son moléculas anfipáticas: poseen una región polar hidrofílica constituida por el grupo fosfato y los sustituyentes polares que se unen por el grupo fosfato y los sustituyentes polares que se unen a él, y otra región hidrofóbica formada por los ácidos grasos que esterifican la glicerina. El carácter anfipático de los fosfolípidos los hace especialmente idóneos para formar parte de la estructura de las membranas celulares. PRINCIPALES FOSFOLÍPIDOS. Todos los fosfolípidos son derivados del ácido fosfatídico. Se nombran añadiendo el prefijo fosfatidil el nombre del sustituyente unido al grupo fosfato. FOSFATIDIL COLINA (LECITINA).

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Es un componente fundamental de la vaina de mielina y de las membranas mitocondriales. FOSFATIDIL ETANOLAMINA (CEFALINA). Forma parte importante de las moléculas del retículo endoplasmático. FOSFATIDIL SERINA. Se encuentra, sobre todo, formando parte de las membranas parte de las membranas de los eritrocitos. FOSFATIDIL INOSITOL. En la membrana plasmática desempeña un importante papel en la generación de “segundos mensajeros”. DIFOSFATIDIL GLCEROL (CARDIOLIPINA). Es un componente importante en la composición de las membranas de las mitocondrias del tejido cardíaco.

LOS FOSFOLÍPIDOS EN LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS. Los fosfolípidos, cuando se encuentran en un medio acuoso, se asocian formando varios tipos de estructuras, en las que los grupos hidrófilos se orientan hacia las moléculas de agua e interaccionan con ella mediante fuerzas de enlaces de hidrógeno; los hidrófobos se alejan interaccionando entre sí mediante fuerzas de Van der Waals y ocultándose dentro de la estructura. Esto explica que, al igual que muchos otros lípidos, los fosfolípidos formen bicapas y micelas, que son estructuras básicas en las membranas biológicas. •

•

Las micelas tienen forma más o menos esférica. La superficie está formada por las cabezas polares expuestas e interaccionando con la fase acuosa que existe en su entorno, mientras que el interior de la micela está ocupado por cadenas alifáticas de los ácidos grasos orientadas formando una región hidrofóbica. En las bicapas, las cadenas hidrofóbicas se orientan hacia el interior, mientras que las cabezas polares están en contacto con el medio acuoso existente a cada lado de la bicapa. Son estructuras que separan dos medios acuosos. Los fosfolípidos también forman monocapas en las interfases aire-agua, exponiendo las cadenas alifáticas hacia el aire e interaccionando las cabezas polares con el agua. 53

•

En el laboratorio, a través de ultrasonidos, se pueden obtener estructuras denominadas liposomas, que están formadas por bicapas de fosfolípidos que dejan en su interior un comportamiento que contiene agua. Actualmente, estos liposomas se utilizan como transportadores de diversa sustancias entre el exterior y el interior de la célula. Algunas de estas sustancias son medicamentos o cosméticos, e incluso se utilizan en biotecnología para introducir genes de un organismo a otro diferente en algunos casos de terapia genética.

La naturaleza anfipática de los fosfolípidos les proporciona un papel fundamental en la formación de las membranas biológicas, tanto de células procarióticas como de células eucarióticas. Además de los fosfolípidos, las membranas biológicas contienen proteínas y otros lípidos, como por ejemplo el colesterol o los esfingolípidos, denominados en su conjunto lípidos de membrana.

ESFINGOLÍPIDOS O ESFINGOFOSFOLÍPIDOS. Los Esfingofosfolípidos son semejantes a los fosfolípidos, tanto estructural como funcionalmente; son sustancias anfipáticas, y cuando se sitúan en un medio acuoso se disponen formando bicapas. Están presentes en la estructura de todas las membranas de las células eucarióticas, aunque son muy abundantes en las que forman los tejidos del sistema nervioso. Químicamente están constituidos por: • •

Un aminoalcohol de cadena larga formado por 18 átomos de carbono. Generalmente, se trata de la esfingosina o de alguno de sus derivados. Un ácido graso saturado o monoinsaturado de cadena larga de 18 a 26 átomos de carbono. 54

•

Un grupo de carácter polar de diversa naturaleza, que en algunos esfingolípidos es muy grande y complejo.

La esfingosina se une por su grupo amino, mediante un enlace amida, al ácido graso correspondiente para formar un compuesto, la ceramida. Este compuesto es la unidad estructural de todos los Esfingolípidos, y se caracteriza por tener dos colas hidrofóbicas. Los esfingolípidos se pueden clasificar en esfingomielienas y esfingoglucolípidos, atendiendo a la naturaleza del grupo polar que se une al grupo hidroxilo del C¹ de la cerámica.

ESFINGOMIELINAS. Es las esfingomielinas, el grupo polar que se une a la ceramida puede ser fosfocolina o fosfoetanolamina (aminoalcoholes fosforilados). Son los únicos esfingolípidos que llevan en su composición química en un grupo fosfato. Las esfingomielinas se encuentran en las membranas de las células animales y, funcionalmente, en la vaina de mielina que rodea las fibras nerviosas. Esta vaina se forma por el enrollamiento de la célula de Schwann alrededor del axón, aislándolo y protegiéndolo. ESFINGOGLUCOLÍPIDOS. Ya están vistos en la parte de los heterósidos, en glucolípidos de los glúcidos.

TERPENOS, ESTEROIDES Y PROSTAGLANDINAS. Terpenos, esteroides y prostaglandinas son lípidos insaponificables, es decir, no pueden formar jabones al carecer de ácidos grasos. Son menos abundantes que los lípidos saponificables, pero entre ellos se encuentran algunos que realizan importantes funciones biológicas, como vitaminas u hormonas.

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TERPENOS. Se denominan también isoprenoides, ya que químicamente derivan de la polimerización del isopreno, dando lugar a estructuras que pueden ser lineales o cíclicas. La presencia de dobles enlaces en la molécula de isopreno confiere a algunas de estas sustancias una colaboración característica. Pueden ser excitados por la luz o la temperatura y están relacionados con la recepción de estímulos lumínicos y químicos. Son muy abundantes en los vegetales. Se clasifican atendiendo al número de moléculas de isopreno que contienen. CLASIFICACIÓN DE TERPENOS. MONOTERPENOS (C¹⁰H¹⁶) Son sustancias con dos moléculas de isopreno. • •

•

Se encuentran fundamentalmente en plantas superiores. En general, son volátiles, poseen un aroma característico y componen las esencias de múltiples vegetales. Se utilizan frecuentemente en la industria de la cosmética. El limoneno, el mentol o el geranio son ejemplos de estos compuestos.

DITERPENOS (C²⁰ H³²). Contienen cuatro moléculas de isopreno. • •

En plantas, son componentes de pigmentos como el fitol, que forma parte de la clorofila o de resinas como el pineno de los pinos. Otros diterpenos son vitaminas, como la vitamina A o retinol, que interviene en los procesos de visión, la vitamina E o antioxidante y la vitamina K, cuya carencia provoca deficiencias en la coagulación de la sangre.

TRITERPENOS (C³⁰ H⁴⁸). Están formados por seis moléculas de isopreno. •

Entre otros, pertenecen a este grupo el escualeno y el lanosterol, ambos precursores del colesterol.

TETRATERPENOS (C⁴⁰ H⁶⁴) Son asociaciones de ocho moléculas de isopreno.

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• •

Destaca un grupo de pigmentos vegetales, los carotenoides, que colaboran con la clorofila en la fotosíntesis. Las xantofilas (color amarillo), los carotenos (calor anaranjado) y el licopeno (color rojo). ß-caroteno se encuentra en las zanahorias y está implicado en la síntesis de vitamina A; el licopeno es similar al anterior, pero se encuentra en los tomates.

POLITERPENOS. Resultan de la polimerización de múltiples unidades de isopreno. •

Forman largas cadenas lineales en las que las unidades de isopreno están ordenadas regularmente. El caucho es un politerpeno que se obtiene del látex de una planta, la Hevea brasilensis.

ESTEROIDES. Derivados de un compuesto cíclico llamado ciclopentanoperhidrofenantreno, cuya estructura la componen la tres anillos de ciclohexano unidos a un cíclicopentano. Los anillos del ciclopentanoperhidrofenantreno se identifican con las cuatro primeras letras del abecedario, y se enumeran como se indica en la fórmula. Los esteroides se diferencian entre sí por la posición de los dobles enlaces, el tipo de grupos funcionales sustituyentes en el anillo y las posiciones de las que se encuentran. Los más importantes son los esteroles, las hormonas esteroideas y los ácidos biliares.

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PROSTAGLANDINAS. Deben su nombre a que en los años treinta se aislaron por primera vez en secreciones prostáticas, aunque actualmente se sabe que se forman en muchas tejidos animales e independientemente del sexo. Se sintetizan en el propio tejido a partir de los fosfolípidos de la membrana plasmática que contienen ácidos grasos poliinsaturados, como el ácido araquidónico. Las funciones de las prostaglandinas son diversas y, en ocasiones, antagónicas: • • •

•

Pueden actuar como vasodilatadores regulando la presión arterial. Intervienen en procesos inflamatorios que provocan fiebre, rubor, edema y dolor. Estimulan la producción del mucus protector de la mucosa intestinal, así como la contracción de la musculatura lisa; por ejemplo, durante el parto provocan la contracción de las paredes del útero. Intervienen en los procesos de coagulación de la sangre, estimulando o inhibiendo la agregación plaquetaria. 58

AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS. LOS AMINOÁCIDOS. Son compuestos orgánicos sencillos de bajo peso molecular que, al unirse entre sí forman las proteínas. Químicamente, están compuestos por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Se caracterizan por poseer en su molécula un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral o grupo R, todos ellos unidos covalentemente a un átomo de carbono denominado carbono α (Cα) Todos los aminoácidos responden a esta fórmula general: H²N-CHR-COOH. Se nombran de acuerdo al nombre del grupo R, que es distinto para cada uno de ellos, y determina sus propiedades químicas y biológicas. Ambas condicionan, a su vez, las propiedades y funciones de las proteínas. Son sólidos, solubles en agua, cristalizables, incoloros o poco coloreados y con un punto de fusión alto, por encima de 200ºC. Existen 20 aminoácidos proteicos, que son los constituyentes básicos de las proteínas. Además, hay otros 150 que se encuentran libres o combinados en las células y en los tejidos, pero que no forman parte de las proteínas y se conocen como aminoácidos no proteicos. Algunos de ellos son intermediarios en las reacciones metabólicas, como ßalanina, la citrulina y la ornitina, o forman parte de las paredes celulares de muchas bacterias, como por ejemplo el ácido D-glutámico. Atendiendo a la polaridad de los grupos R,los aminoácidos se pueden clasificar en cuatro grupos. • • • •

Hidrófobos. Los radicales son de naturaleza hidrocarbonada no polar. Forman parte del núcleo interno de las proteínas solubles, ocultas del medio acuoso. Polares hidrofílicos. Los radicales son polares pero sin cargar. Pueden establecer enlaces de hidrógeno con el agua, favoreciendo su solubilidad. Básicos. Los radicales poseen un grupo amino que se ioniza positivamente. Ácidos. Los radicales poseen un grupo carboxilo que se ioniza negativamente.

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PROPIEDADES DE LOS AMINOÁCIDOS. PROPIEDADES ÁCIDO-BÁSICAS DE LOS AMINOÁCIDOS. Cuando los aminoácidos se encuentran en disolución acuosa forman iones dipolares, llamados también iones híbridos por poseer igual número de cargas positivas que negativas. El pH en el que un aminoácido forma un ión híbrido se denomina punto isoeléctrico (pI). El ión híbrido disuelto se puede comportar como ácido o como base, dependiendo del pH de la disolución. Las sustancias que poseen esta propiedad se denominan anfóteras (del griego amphi, “ambos”).

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El carácter anfótero de los aminoácidos permite la regulación del pH, ya que se comportan como ácidos o como bases según convenga al organismo. Todos los aminoácidos obtenidos de la hidrólisis de una proteína, excepto la glicocola, tienen al menos un carbono asimétrico (carbono α), es decir, unido a cuatro radicales diferentes. Como consecuencia de ello, pueden presentar dos configuraciones espaciales D y L según sea la orientación del grupo amino –NH², a la derecha o a la izquierda. Estas dos configuraciones espaciales se denominan estereoisómeros. Ambos estereoisómeros son imágenes especulares y no superponibles. Todos los aminoácidos proteicos son de la serie L, pues las células los sintetizan utilizando enzimas estereoespecíficas. Al igual que ocurre en los monosacáridos, los aminoácidos muestran actividad óptica. CARÁCTER ANFÓTERO DE LOS AMINOÁCIDOS. En el medio ácido se comporta como base y queda cargado positivamente, ya que el – COO⁻ acepta protones. Si el medio es básico, el grupo –NH³ ⁺ se comporta como un ácido, liberando H⁺; con lo que pierde su carga positiva. AMINOÁCIDOS ESENCIALES. De los veinte aminoácidos que forman parte de las proteínas, solo algunos de ellos pueden ser sintetizados por los organismos heterótrofos a partir de compuestos más sencillos; los restantes deben ser ingeridos en la dieta como tales. Estos últimos son los que se conocen como aminoácidos esenciales, que en el cado de un ser humano adulto son ocho: fenilalanina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, treonina, triptófano y valina, mientras que en los lactantes hay que añadir la histidina. Los organismos autótrofos, en cambio, pueden sintetizar todos aquellos aminoácidos que necesitan para su metabolismo. ENLACE PEPTÍDICO. Cuando los aminoácidos forman cadenas, lo hacen mediante enlaces peptídicos. Este tipo de uniones son enlaces covalentes, formados entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro, dando lugar a la pérdida de una molécula de agua (reacción de deshidratación). Los aminoácidos unidos por enlaces covalentes peptídicos se denominan residuos para resaltar la pérdida de átomos en la formación del enlace peptídico. 61

Un dipéptido es una cadena que está constituida por dos residuos de aminoácidos, un tripéptido está formado por tres, un oligopéptido contiene menos de 50 residuos, y, en general, se denomina polipéptido a las cadenas más largas. Los grupos aminos y carboxilo libres en los extremos de la cadena polipeptídica se nombran como N-terminal (amino terminal) y C-terminal (carboxilo terminal), respectivamente. Por convenio, los residuos se numeran desde el aminoácido Nterminal, y se escriben de izquierda a derecha en el orden que ocupan en la cadena. CARACTERÍSTICAS DEL ENLACE PEPTÍDICO. La estructura precisa del enlace peptídico fue descubierta en la década de 1950 por L. Pauling y R. B. Corey utilizando técnicas de difracción de rayos X. Descubrieron que este enlace presenta una características especiales de gran importancia para la estructura de las proteínas. • • • •

El enlace peptídico es un enlace covalente más corto que la mayor parte de los demás enlaces C-N. Posee cierto carácter de doble enlace, lo que le impide girar libremente. Los cuatro átomos del grupo péptido y los dos átomos de carbono se hallan situados sobre un mismo plano, manteniendo distancias y ángulos fijos. Los únicos enlaces que pueden girar, y no del todo libremente, son los formados por C-C y N-C.

PÉPTIDOS Y OLIGOPÉPTIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO. En la naturaleza existen un gran número de péptidos y oligopéptidos que realizan funciones importantes y diversas. Con función hormonal destacan la oxitocina, que regula las contracciones del útero, y la arginina vasopersiona (ADH), que regula la pérdida de agua. Ambas se sintetizan en el hipotálamo y se almacenan y liberan en la hipófisis. La insulina y e glucagón, que regulan el nivel de azúcar en sangre, se sintetizan en el páncreas. Otros péptidos actúan como transportadores, como el glutatión, que se encuentra en el citosol y participa en el transporte de aminoácidos al exterior de la célula. También pueden ser antibióticos, como los decapéptidos gramicidina-S y valinomicina, que potencian el transporte de iones a través de membranas biológicas; proceso muy importante en órganos como el corazón y el riñón. ESTRUCTURAS PRIMARIA Y SECUNDARIA DE LAS PROTEÍNAS. Las proteínas se disponen en el espacio formando una estructura tridimensional definida, que puede tener hasta cuatro niveles de organización: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. 62

ESTRUCTURA PRIMARIA. La estructura primaria la poseen todas las proteínas y es la secuencia lineal de aminoácidos que la integran; es decir, indica los aminoácidos que la forman y el orden en que se encuentran unidos. Es la estructura más sencilla y, sin embargo, la más importante, ya que determina el resto de las estructuras con niveles superiores de organización. Una característica de esta estructura es su disposición en zigzag. Se debe a la planaridad del enlace peptídico, lo que provoca la rotación de los aminoácidos sobre los Cα para equilibrar las fuerzas de atracción que se pudieran generar. Con los veinte posibles aminoácidos, el número de polipéptidos que pueden formarse es de 20n, donde n es el número de aminoácidos presentes en la cadena. Como la mayoría de los péptidos contienen más de cien aminoácidos, incluso miles, la variedad de posibles secuencias es prácticamente ilimitada. La primera proteína de las que se conoció su estructura primaria fue la insulina de ternera, gracias a los trabajos de Sanger y sus colaboradores (1950). Esta secuencia resultó una auténtica proeza en el campo de la biología molecular. Actualmente, se conoce la estructura primaria de varios miles de proteínas diferentes, lo que proporciona una información útil acerca de las estructuras, mecanismos de acción y evolución. ESTRUCTURA SECUNDARIA. Es la disposición espacial que adopta la secuencia de aminoácidos o estructura primaria para ser estable, y es consecuencia directa de la capacidad de giro que poseen los carbonos α de los aminoácidos. Los modelos más frecuentes son la α-hélice y la conformación ß o lámina plegada. Una variedad de estructura secundaria es la denominada hélice de colágeno, característica de esta proteína. •

α-hélice. Este tipo de estructura, la cadena polipeptídica se va enrollando en espiral sobre sí misma debido a los giros que se producen en torno al carbono α de cada aminoácido. Esta estructura α-hélice se mantiene gracias a los enlaces de hidrógenos intracaterianos formados por el grupo –NH de un enlace peptídico y el grupo –C=O del cuarto aminoácido que lo sigue.

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La formación de estos enlaces determina no solo la estabilidad de la estructura, sino también la longitud del paso de rosca, es decir, el avance por vuelta, que es de 0,54 nm. La rotación se produce hacia la derecha, de forma que cada aminoácido gira 100º con respecto al anterior. Esto implica la presencia de 3,6 residuos aminoácidos por cada vuelta completa. Al formarse la α-hélice, todos los grupos –C=O quedan orientados en la misma dirección, mientras que los –NH se orientan en la dirección contraria y los radicales de los aminoácidos quedan dirigidos hacia el exterior de la α-hélice. La estabilidad de la α-hélice depende de la presencia o no de residuos de prolina o hidroxiprolina, debido a que estos aminoácidos impiden la formación de enlaces de hidrógeno, dando lugar a variaciones de esta estructura como dimensiones diferentes. •

Conformación ß o lámina plegada. Algunas proteínas conservan su estructura primaria en zigzag, y se asocian entre sí estableciendo uniones mediante enlaces de hidrógeno intercaterianos, Todos los enlaces peptídicos participan en este enlace confiriendo sí gran estabilidad a la estructura. El plegamiento en acordeón en la lámina plegada es el resultado de la estructura primaria en zigzag de las cadenas individuales. Las cadenas polipeptídicas se pueden unir de dos formas distintas: paralela o antiparalela. En la forma paralela, las cadenas polipeptídicas se disponen en el mismo sentido N-C, mientras que en las antiparalela se alternan cadenas polipeptídicas en las direcciones N-C y C-N. En ambos casos, los radicales de los aminoácidos se orientan hacia ambos lados de las hojas de forma alterna. La disposición antiparalela es un poco más compacta que la paralela y aparece con mayor frecuencia en las proteínas. Cuando existe una gran cantidad de cadenas, se produce un empaquetamiento de varias capas, como ocurre en la fibroína de la seda.

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Hélice de colágeno. Es la estructura secundaria que presenta el colágeno, que forma parte de los tendones y los tejidos conectivos; se trata de una estructura particularmente rígida. El colágeno es una proteína compuesta en su mayoría por el aminoácido prolina. Debido a la continua repetición de este aminoácido, la cadena polipeptídica no puede adoptar ninguna de las estructuras anteriores. En su lugar, las cadenas individuales se enrollan hacia la izquierda, de forma que se produce una vuelta de hélice por cada tres residuos aminoácidos. Debido a esta especial disposición, no existen enlaces de hidrógenos intracaterianos, por lo que esta cadena está más extendida que la α –hélice; de este modo, cada vuelta de hélice asciende 0,29nm en lugar de los 0,15nm de la α-hélice.

ESTRUCTURA TERCIARIA. El término estructura terciaria se refiere al modo en que la proteína nativa se encuentra plegada en el espacio. Esta estructura es estable gracias a las uniones que se producen entre los radicales –R de los diferentes aminoácidos, que se sitúan en posiciones muy alejadas el uno del otro. Estas uniones pueden ser de distintos tipos: • • • •

Enlace de hidrógeno entre grupos peptídicos. Atracciones electrostáticas entre grupos con carga opuesta. Atracciones hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals entre radicales alifáticos o aromáticos de las cadenas laterales. Puentes de disulfuro entre restos de cisteína. Son enlaces covalentes entre dos grupos tiol, correspondientes a dos cisteínas.

Las características de una proteína y, lo que es más importante, las funciones biológicas que realiza dependen de la estructura terciaria que tenga.

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La estructura terciaria de las proteínas, especialmente de aquellas de elevado peso molecular, está constituida por varios dominios o unidades compactas de entre 50 y 300 aminoácidos, conectadas a través del esqueleto polipeptídico. La estructura de la cadena polipeptídica dentro de un determinado dominio suele ser independiente de la de otros, ya que pueden presentar estructura α-hélice o bien lámina plegada. En la mayoría de los casos, los dominios se unen entre sí mediante una proporción proteica flexible que sirve como bisagra. Frecuentemente, representan partes de la proteína que se unen específicamente diferentes, como una coenzima o a un sustrato. Los dominios son muy estables, de tal manera que pueden aparecer los mismos en proteínas diferentes; son secuencias de aminoácidos que a lo largo de la evolución han sido especialmente útiles, tanto estructural como funcionalmente, y tienden a repetirse en diferentes proteínas. Se piensa que algunos péptidos con más de un dominio se originan durante la evolución por fusión de genes que codificaban diferentes proteínas ancestrales, y cada dominio representa una parte que alguna vez fue una molécula separada. ESTRUCTURA CUATERNARIA. Es la estructura que poseen las proteínas tanto fibrosas como globulares, formadas por dos o más cadenas polipeptídicas –denominadas subunidad, monómero o protómero – que pueden ser iguales o diferentes. Para que la proteína sea funcional, los protómeros tienen que estar unidos y, en general, lo hacen mediante uniones débiles, como enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, e incluso puentes de disulfuro, como es el caso de la inmunoglobulinas. El colágeno es una proteína fibrosa, formada por tres cadenas polipeptídicas helicoidales entrelazadas para formar una triple hélice más grande, que confiere a estas fibras gran resistencia. La hemoglobina es una proteína globular compuesta de cuatro cadenas polipeptídicas, dos de un tipo (cadena α) y dos de otro tipo (cadena ß).

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PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS. Las propiedades de las proteínas, como la solubilidad, la desnaturalización y la especificidad, depende básicamente de la naturaleza de los radicales (-R) de los aminoácidos. •

Solubilidad. La solubilidad se debe a que solo los grupos –R polares o hidrófilos se hallan localizados sobre la superficie externa de la proteína, y a que establecen enlaces de hidrógeno con el agua; así, la proteína se rodea de una capa de agua que impide su unión con otras proteínas y, por tanto, su precipitación. En general, las proteínas fibrosas son insolubles en agua, mientras que las globulares son hidrosolubles.

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Desnaturalización. Consiste en la rotura de los enlaces que mantienen el estado nativo de la molécula, perdiéndose las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria. Los enlaces peptídicos permanecen, por lo que la proteína conserva su estructura primaria y pasa a dotar una forma filamentosa. La conformación nativa es la conformación más estable de una proteína plegada, y tiene la menor energía libre a partir de los enlaces no covalentes entre los aminoácidos y cualquier grupo protético, y entre la proteína y su entorno. La desnaturalización puede estar provocada por cambios en el pH (como la permanente), o en la temperatura (el huevo frito), o bien por el tratamiento con sustancias desnaturalizantes, como la urea. Al perder sus estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria, las proteínas desnaturalizadas también pierden su actividad biológica. Además, la proteína desnaturalizada suele precipitar, ya que las atracciones entre los radicales hidrofóbicas, que en la proteína nativa estarían encerrados en el interior de la molécula, los hacen agruparse entre sí. En determinadas condiciones, la desnaturalización puede ser reversible: las proteínas pueden renaturalizar, replegarse y adoptar nuevamente su conformación nativa, recuperando con ello la actividad biológica perdida.

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Especificidad. Es la propiedad más característica de las proteínas. Se muestra a diversos niveles, siendo los más importantes la especificidad de función y la especificidad de especie. o Especificidad de función. Reside en la posición que ocupan determinados aminoácidos de los que sustituyen su secuencia lineal. Esta secuencia condiciona la estructura cuaternaria de la proteína, que es responsable, en última instancia, de su función característica. Una pequeña variación en la secuencia de aminoácidos puede provocar la pérdida de funcionalidad de la proteína. 67

o Especificidad de especie. Existen proteínas que son exclusivas de cada especie. Lo más común, sin embargo, es que las proteínas que desempeñan la misma función en diferentes especies tengan una composición y estructuras similares. Estas proteínas se llaman proteínas homólogas. Es el caso de la insulina, que se encuentra exclusivamente en vertebrados. La cadena A de la insulina es idéntica en la especie humana, el cerdo, el perro, el conejo y el cachalote. •

Capacidad amortiguadora. Debido a que pueden comportarse como ácidos o como bases, liberando o retirando H⁺ del medio, las proteínas son capaces de amortiguar las variaciones de pH del medio en el que se encuentran.

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS: HOLOPROTEÍNAS. Las holoproteínas son aquellas que están compuestas exclusivamente por aminoácidos. Atendiendo a su estructura, se clasifica en dos grandes grupos: PROTEÍNAS FIBROSAS. Poseen estructuras más simples que las globulares. En la mayoría de los casos, los polipéptidos que las integran se hallan ordenados o enrollados a lo largo de una sola dimensión, frecuentemente en haces paralelos. Son proteínas insolubles en agua, mantienen importantes funciones estructurales o protectoras. Pertenecen a este grupo: •

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El colágeno. Es el principal componente del tejido conjuntivo, y está presente como uno de los principales componentes de la matriz extracelular de la piel: cartílago, hueso, tendones y córnea. Se calcula que una fibra de colágeno de 1nm de diámetro es capaz de resistir un peso superior a 10 Kg. La miosina. Es una proteína fibrosa responsable de la contracción muscular. Las queratinas. Son un amplio grupo de proteínas animales que se sintetizan y almacenan en las células de la epidermis; forman los cuernos, uñas, pelo y lana de muchos animales. La fibrina de la sangre. Se obtiene a partir del fibrinógeno plasmático, e interviene en la coagulación sanguínea. La elastina. Es una proteína fibrosa y flexible localizada en el tejido conjuntivo de estructuras y órganos que son elásticos, como la piel, el cartílago o lo vasos sanguíneos; posee una conformación irregular o estructura al azar que le permite ser extremadamente flexible y móvil, asumiendo conformaciones muy diferentes. Las fibras de elastina se asemejan más a redes que a cuerdas, debido a que los polipéptidos entrecruzados de estas fibras no poseen 68

conformaciones fijas o regulares. Estas redes de elastina se alargan o se doblan cuando se ven sometidas a un esfuerzo.

PROTEÍNAS GLOBULARES. Son más complejas que las fibrosas. Las cadenas polipeptídicas que las integran se encuentran plegadas formando una estructura compacta, más o menos esférica. Son solubles en agua o bien en disoluciones polares, y son las principales responsables de las actividades biológicas de la célula. Pertenecen a este grupo: •

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La actina. Es una proteína globular que se ensambla formado filamentos. Junto con la miosina, es responsable de la contracción muscular. Ambas fueron idénticas inicialmente en las celulares musculares, pero aparecen en casi todos los tipos de células eucarióticas. Las albúminas. Son proteínas con funciones de transporte de otras moléculas, o bien de reserva de aminoácidos. Son representantes de este grupo la ovoalbúmina de la clara de huevo, la lactoalbúmina de la leche y la seroalbúmina de la sangre. Las globulinas. Son proteínas con formas globulares casi perfectas y solubles en disoluciones salinas. Pertenecen a este grupo la lactoglobulina de la leche, la ovoglubulina del huevo, la seroglobulina de la sangre, la α-globulina (proteína asociada a la hemoglobina) y las γ-globulinas o inmunoglobulinas, que forman los anticuerpos. Las histonas y las protaminas. Son proteínas de carácter básico asociadas al ADN.

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS: HETEROPROTEÍNAS. El grupo de heteroproteínas lo forman aquellas que en su composición presentan una parte proteíca formada por aminoácidos y otra no proteica denominada grupo prostético. Dependiendo de la naturaleza química del grupo prostético, se clasifican en cromoproteínas, nucleoproteínas, glucoproteínas, fosfoproteínas y lipoproteínas. • •

Cromoproteínas. Son proteínas cuyo grupo prostético es una sustancia coloreada denominada pigmento. Por ejemplo, la hemoglobina Nucleoproteínas. Son proteínas cuyo grupo prostético es un ácido nucleico. Se consideran nucleoproteínas la asociación entre ácido nucleicos y proteínas como las protaminas o las histonas. El grupo proteico colabora con el grupo prostético en funciones como el mantenimiento de la estructura del ADN, el transporte del núcleo al citoplasma, la protección contra el ataque de las nucleasas, etc. 69

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Glucoproteínas. Su grupo prostético es un glúcido unido mediante enlace covalente a la cadena polipeptídica. Son muy importantes las glucoproteínas sanguíneas como las que se encuentran en las membranas de los eritrocitos. Fosfoproteínas. Son proteínas cuyo grupo prostético es el ácido fosfórico. Un ejemplo es la caseína de la leche. Lipoproteínas. Su grupo prostético es un lípido. Muchas forman parte de las membranas citoplasmáticas; sin embargo, existe un grupo particular de lipoproteínas, presentes en el citoplasma sanguíneo, que se encargan de transportar lípidos insolubles entre el intestino, el hígado y los tejidos adiposos. Las principales lipoproteínas son: LDL y HDL.

LA DIVERSIDAD FUNCIONAL DE LAS PROTEÍNAS. Las proteínas son moléculas de gran diversidad estructural, lo que les confiere la capacidad de intervenir en muchas y muy diversas funciones, pudiendo una misma proteína realizar más de una función. •

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Funciones de reserva. Algunas de las proteínas almacenan determinados compuestos químicos, como aminoácidos, para utilizarlos como elementos nutritivos o bien para colaborar en la formación del embrión. Este es el caso de la ovoalbúmina de la clara del huevo. Función de transporte. Hay proteínas que se unen a diversas sustancias y las transportan a través de un medio acuoso, como acurre con el oxígeno o los lípidos, o bien a través de las membranas celulares. Son proteínas transportadoras las siguientes: o Lipoproteínas del plasma sanguíneo, que transporta lípidos. o Hemoglobina. Es el pigmento que da color rojo a la sangre de los vertebrados y transporta oxígenos desde el aparato respiratorios hasta las células. Función contráctil. La actina y la miosina llevan a cabo la contracción muscular y, por tanto, posibilitan el movimiento de las celular, incluyendo el movimiento de las bacterias y del esperma. Función protectora o defensiva. Las inmunoglobulinas o anticuerpos son capaces de discriminar lo propio de lo ajeno y, por tanto, defienden a los seres vivos contra las infecciones provocadas por organismos patógenos. Función hormonal. Algunas proteínas actúan como hormonas; son proteínas reguladoras que, en pequeñas concentraciones son capaces de controlar funciones celulares, como el metabolismo o la reproducción. De esta forma, la

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insulina y el glucagón, proteínas secretadas por el páncreas, regulan el metabolismo de la glucosa. Función estructural. Las proteínas, sobre todo las fibrosas, realizan importantes funciones estructurales, proporcionando soporte mecánico a las células animales y vegetales. Se pueden encontrar tanto en células como en tejidos. o En las células se encuentran las glucoproteínas de la membrana plasmática. o Formando parte de los tejidos, tenemos las fibras de colágeno de los tejidos conjuntivos, que son las encargadas de dar resistencia mecánica: la queratina de la epidermis, la elastina del cartílago, etc. Función enzimática. Los catalizadores bioquímicos, o enzimas, son proteínas que catalizan la práctica totalidad de las reacciones químicas que tiene lugar en las células vivas, aumentando la velocidad de dichas reacciones. Se conocen numerosas enzimas y se clasifican según la reacción que catalizan. Algunas de las enzimas más importantes son las hidrolasas, las transterasasm las isomerasas, las oxidorreductasas, las sintetasas, las deshidrogenadas… Función homeostática. Mantienen el nivel de pH. Función de reconocimiento de señales químicas. Situadas en la superficie exterior de las membranas celulares, existen numerosas proteínas encargadas del reconocimiento de señales químicas. Las hay capaces de reconocer hormonas, neurotransmisores, anticuerpos, virus, bacterias…

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ENZIMAS. Las reacciones metabólicas pueden clasificarse en dos grupos: catabólicas y anabólicas. Las primeras son degradativas, es decir, en ellas se pasa de moléculas más complejas a otras más sencillas. Su finalidad básica es la obtención de energía. Las reacciones anabólicas son, por el contrario, constructivas y por tanto sirven para la síntesis de nuevas moléculas. En ellas es necesario un aporte de energía. Las reacciones catabólicas y anabólicas están interrelacionadas, como se verá en las próximas unidades. Se llaman rutas anfibólicas a las que participan tanto en el catabolismo como en el anabolismo. Algunos de los compuestos que aparecen en ellas conectan procesos productores de energía con reacciones biosintéticas. Todas las reacciones metabólicas son catalizadas, es decir, precisan la presencia de ciertas moléculas, que reciben el nombre de enzimas, para llevarse a cabo. Las enzimas constituyen un elemento fundamental en el metabolismo, pues de su grado de actividad depende la realización de las distintas reacciones metabólicas. Para cada una de estas reacciones existe una enzima diferente que permite su realización. La falta de una determinada enzima provoca un defecto en una ruta metabólica. Esto se traduce en la imposibilidad de sintetizar algún producto o de utilizar cierto nutriente. Los organismos con deficiencias enzimáticas son muy útiles en la investigación de las rutas metabólicas. ENZIMAS. Los catalizadores biológicos o biocatalizadores de las reacciones metabólicas son unas proteínas denominadas enzimas. Del grado de actividad de estos catalizadores dependen el tipo y la velocidad de las reacciones que se lleven a cabo entre los compuestos biológicos y, en consecuencia, los procesos vitales derivados de ellos. Resulta evidente que el conocimiento de las enzimas es fundamental para comprender los mecanismos básicos de estas reacciones, que son imprescindibles para el mantenimiento de la actividad vital de todos los seres vivos. Las enzimas se comportan como cualquier otro catalizador en cuanto a que: • •

Disminuyen la energía de activación del proceso en el que intervienen, es decir, aceleran las reacciones bioquímicas (normalmente). No cambian el signo ni la cuantía de la variación de la energía libre, sólo aumentan la velocidad. No hacen que los procesos sean termodinámicamente más favorables. 72

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No modifican el equilibrio de la reacción, sino que aceleran la llegada al mismo. Al finalizar la reacción, quedan libres y sin alterarse como cualquier otro catalizador, y pueden funcionar otras veces.

La mayoría de las enzimas son proteínas; sin embargo, pueden estar formadas únicamente por cadenas polipeptídicas (holoproteínas) o contener, además, otro grupo no proteico (heteroproteínas). Existen además otras enzimas de naturaleza ribonucleoproteica llamadas ribozimas (molécula de ARN con capacidad enzimática). En los casos en los que una enzima consta solo de parte proteica, esta se encarga tanto de fijar específicamente las moléculas que van a reaccionar como de llevar a cabo la reacción sobre ellas. Para ello existen ciertas regiones de la cadena polipeptídica cuyos aminoácidos se unen a los sustratos, centros activos, y otras zonas que interaccionan con estos para la realización de la reacción. Los centros activos se dan tanto en las compuestas solo por proteínas como en las que tienen también un grupo no proteico (holoenzima). La unión entre enzima y sustrato implica un reconocimiento estérico, es decir, relacionado con la forma y el volumen del propio sustrato al que se une específicamente. El caso más común es que se dé una holoenzima en el que existe además de la cadena polipeptídica, otra molécula distinta. La parte proteica recibe el nombre de apoenzima, mientras que la parte no proteica se denomina grupo prostético cuando la unión a la apoenzima es permanente, y cofactor cuando, como es habitual, no lo es. •

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La apoenzima se encarga de proporcionar la estructura espacial específica que permite la unión de los sustratos, moléculas sobre las que actúan las enzimas en las reacciones químicas. En ellas se encuentran también los centros activos, responsables de la unión. El cofactor o el grupo prostético son los componentes enzimáticos que llevan a cabo la reacción propiamente dicha, es decir, la catálisis en sentido estricto. El grupo prostético se da cuando una molécula orgánica su une fuertemente por enlace covalente a la apoenzima El cofactor puede ser un catión metálico que se une a la apoenzima o regula su activación, o bien una molécula orgánica unida débilmente a la apoenzima que se denomina coenzima. Las coenzimas constituyen un grupo molecular muy diverso que comprende numerosos derivados vitamínicos.

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PROPIEDADES DE LAS ENZIMAS. Por su carácter proteico, las enzimas poseen las mismas propiedades que las proteínas, es decir, se desnaturalizan al ser sometidas a cambios de pH, a variaciones de temperatura y a elevadas concentraciones salinas; y presentan un alto grado de especificidad, en este caso, tanto en la selección de los sustratos como en la reacción que catalizan sobre ellos. El grado de especificidad del sustrato, aunque normalmente es elevado, puede variar. Así, hay enzimas que muestran una especificidad absoluta y solo actúan sobre un tipo concreto de sustrato, llegando a diferenciar incluso estereoisómeros; y otras que, por ejemplo, como muestran especificidad con respecto a un grupo funcional, como las enzimas esterasas que llevan a cabo la saponificación de cualquier lípido con grupos éster. Salvo excepciones, los monosacáridos presentes en los seres vivos son estereoisómeros D, y los aminoácidos de las proteínas, estereoisómeros L. Esto se debe, fundamentalmente, a la especificidad de las enzimas, que solo catalizan reacciones sobre estos estereoisómeros. Una molécula solo puede ser metabolizada por un ser vivo si existe la enzima adecuada. En el caso contrario, la molécula no tiene utilidad metabólica y es eliminada en el curso evolutivo. La especificidad de reacción significa que para cada tipo de reacción química, incluso realizada por un mismo sustrato, existe una enzima diferente, es decir, una enzima cataliza una sola reacción química o un grupo de reacciones estrechamente relacionadas. Además, controlan la velocidad de la reacción acelerándolas (como es habitual) o retardándolas: sin embargo, no modifican dicha reacción. Además de las propiedades citadas, las enzimas, por ser catalizadores, no se consumen ni se transforman en el transcurso de las reacciones, por lo que la misma molécula puede actuar repetidamente. Así, las necesidades enzimáticas son muy bajas y cantidades mínimas de enzima pueden transformar grandes cantidades de sustrato. Sin embargo, como cualquier molécula biológica, las enzimas se alteran y se destruyen con el tiempo, por lo que existe una pérdida; por otra parte, la misma molécula enzimática no actúa eternamente. Es necesaria, por tanto, una renovación periódica. Son creadas en las células, y pueden actuar en ellas o fuera de ellas. Las que actúan fuera son utilizadas en la industria para hacer, por ejemplo, detergentes y antigrasas. CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS. Las enzimas se han nombrado y clasificado con diversos criterios a lo largo de la historia de la biología. Un muchos casos, se añade el sufijo –asa a la raíz del nombre 74

del sustrato sobre el que actúa; por ejemplo, la amilasa, que actúan sobre la amilosa y la amilopectina del almidón. En otros casos, se nombran en función de la reacción que catalizan, como las hidrolasas, que intervienen en reacciones de hidrólisis; o las isomerasa, que catalizan reacciones de isomerización de diferentes sustratos. Actualmente, se realiza una clasificación atendiendo a la reacción que catalizan. El nombre de cada enzima alude tanto al sustrato como al tipo de reacción. Según esto, se utiliza un código para identificar las diferentes enzimas basado en anteponer las letras EC a un código de cuatro cifras que indica la base, subclase, subdivisión y código específico de la enzima.

MECANISMO DE LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS. Cualquier reacción química se inicia con la rotura de ciertos enlaces entre los átomos que constituyen las moléculas de los reactivos, para formar, posteriormente, los nuevos enlaces que originan las moléculas de los productos. Ese estado en el que los enlaces de los reactivos están debilitados o rotos, pero en el que aún no se han formado los nuevos, se denomina estado de transición o estado activado. Para alcanzar el estado de transición y, en definitiva, para que la reacción química tenga lugar, es preciso comunicar a los reactivos cierta cantidad de energía, denominada energía de activación.

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La diferencia entre las reacciones endotérmicas y exotérmicas radica en el balance energético global del proceso. Las primeras necesitan energía mientras que las segundas la desprenden. Sin embargo, en ambos casos es necesaria energía de activación para alcanzar el estado de transición. En las llamadas reacciones espontáneas, la energía de activación es tan baja que se obtiene de la propia energía cinética de las moléculas o incluso de la luz que incide en el lugar de reacción. En las reacciones no espontáneas, sin embargo, esta energía es tan alta que no se producen si no se aplica calor. La acción catalizadora de las enzimas consiste en rebajar la energía de activación para llegar fácilmente al estado de transición y permitir que la reacción se lleve a cabo. En definitiva, sin la presencia del catalizador no es posible alcanzar el estado de transición espontáneamente, y con él, sí lo es.

Los catalizadores realizan su acción favoreciendo la aproximación de las moléculas de los reactivos, pero como no actúan como tales, no se consumen. Únicamente ayudan a que se produzcan la reacción. Todas las reacciones metabólicas (salvo alguna excepción) son reacciones catalizadas por enzimas. MODO DE ACTUACIÓN DE UN ENZIMA. Cuando un sustrato se encuentra con la enzima correspondiente se produce la reacción catalizada, la cual se lleva a cabo en tres etapas: 1. En primer lugar, el sustrato se une a la apoenzima formando el complejo enzima-sustrato (ES).Como ya se ha apuntado, esta unión se caracteriza por un alto grado de especificidad, de modo que para cada tipo de sustrato y de reacción se necesita una enzima concreta. 76

La especificidad enzimática se debe a la estructura proteica de la apoenzima, la cual presenta una zona, denominada centro activo, con una forma espacial característica en la que se acopla el sustrato. Este acoplamiento se ha comparado con el que existe entre una llave y su cerradura: solo es posible abrirla si los salientes y entrantes de una y otra encajan exactamente, por lo que cualquier cambio que se produzca en la forma impedirá su acoplamiento. La teoría de la “llave-cerradura”, propuesta en 1890 por Emil Fischer se considera esencialmente correcta, aunque en la actualidad se ha probado que en algunas enzimas el centro activo es capaz de modificar su forma para adaptarse al sustrato. Sería algo semejante a la introducción de una mano en un guante. La propia mano (que equivaldría al sustrato) hace que el guante (equivalente al centro activo de la apoenzima) se adapte mejor cuando se introduce en él. Este proceso, postulado por Daniel E. Koshland Jr. en 1958, se denomina de “ajuste o acomplamiento inducido”. • Modelo de llave-cerradura. El centro activo de a apoenzima posee, por sí mismo, una forma complementaria a la del sustrato. • Modelo de ajuste inducido. El centro activo tiene la capacidad de cambiar su forma según sea la del sustrato. La unión es reversible, pues una parte del complejo enzima-sustrato se asocia y, debido precisamente a esa reversibilidad, esta primera etapa es la más lenta. La unión de los radicales de los aminoácidos del centro activo al sustrato consigue debilitar sus enlaces. Esto provoca cambios energéticos que permiten alcanzar más fácilmente el estado de transición. 2. Formado el complejo enzima-sustrato, el cofactor lleva a cabo la reacción y se obtiene el producto final (P). Esta etapa es muy rápida e irreversible. ES --> E + P En el caso de no existir cofactores, la acción catalítica la realizan algunos aminoácidos del propio centro activo. 3. El producto se libera del centro activo y la apoenzima queda libre para volver a unirse a nuevas moléculas de sustrato. La coenzima puede liberarse intacta o liberarse quedando modificada. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES ENZIMÁTICAS. Las reacciones catalizadas por enzimas no se producen siempre a la misma velocidad. Entre los factores que modifican la velocidad de dichas reacciones se pueden citar los siguientes: 77

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La concentración del sustrato. Al aumentar la concentración de sustrato existen más centros activos ocupados y la velocidad de la reacción aumenta hasta que no quedan centros activos libres; a partir de ese momento, un aumento de la concentración del sustrato no supone un aumento de la velocidad de reacción. El pH. Cada enzima tiene un pH óptimo de actuación. Los valores por encima o por debajo de este valor óptimo provocan un descenso de la velocidad enzimática, debido a cambios en la carga eléctrica de los radicales de los aminoácidos que constituyen el centro activo. De este modo, pueden aparecer o desaparecer enlaces por fuerzas electrostáticas que alteren la estructura espacial del centro activo o su unión al sustrato. En cualquier caso, el acoplamiento del sustrato al centro activo se verá dificultado y la velocidad de la reacción disminuirá. Por debajo de un pH mínimo y por encima de un pH máximo, se produce la desnaturalización de la enzima y su actividad se anula por completo. La temperatura. Como en el caso anterior, existe también una temperatura óptima en la que la actividad enzimática es máxima. Las temperaturas inferiores a este valor óptimo dan lugar a una disminución de la vibración molecular que hace más lento el proceso, mientras que temperaturas superiores a la óptima pueden provocar la desnaturalización de la enzima y la pérdida total de su funcionalidad.

INHIBICIÓN ENZIMÁTICA. Los inhibidores enzimáticos son sustancias que disminuyen o anulan la actividad de una enzima. Se trata de un proceso inverso al de la activación. La enzima, previamente activa, disminuye su velocidad o incluso deja de actuar cuando aparece un inhibidor, el cual puede ser algún ión o también alguna molécula orgánica y, frecuentemente, el producto final de la reacción. En este último caso, en el que la enzima se inhibe cuando ya no se necesita obtener más cantidad de producto y la señal para ello es el propio producto, se habla de inhibición feed-back o retroinhibición. La inhibición puede ser irreversible, cuando el inhibidor, que se denomina en este caso “veneno metabólico”, se une covalentemente a la enzima, alterando su estructura e inutilizándola de forma permanente. La inhibición reversible, mucho más común, tiene lugar cuando la enzima vuelve a tener actividad una vez eliminada la sustancia inhibidora. En este caso, la unión del

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inhibidor con la enzima se realiza por enlaces no covalentes (iónicos o puentes de hidrógeno) más fáciles de romper. Según el lugar de unión de la enzima se diferencian dos tipos de inhibición reversible: competitiva y no competitiva. •

Inhibición competitiva. En ella, el inhibidor se une al centro activo impidiendo, por tanto, la unión del sustrato. Existe una competencia entre ambos para ocupar el centro activo. Si este es ocupado por el sustrato, la reacción se lleva a cabo, pero si es ocupado por el inhibidor no se produce, ya que el sustrato no puede acoplarse. El grado de inhibición dependerá de la proporción relativa entre sustrato e inhibidor. Para que exista este tipo de inhibición es necesario que el inhibidor se acople al centro activo, por lo que su forma espacial debe tener gran semejanza con la del sustrato. Por eso, a estos inhibidores se les llama análogos metabólicos. En la actualidad se sintetizan fármacos cuya estructura espacial es similar al sustrato de alguna enzima que se desea inhibir. De esta forma, el fármaco actúa como inhibidor competitivo y se pueden corregir patologías causadas por la acción de ciertas enzimas. Por ejemplo, las sulfamidas (que se emplean en el tratamiento de algunas infecciones bacterianas) compiten en el ácido paminobenzoico en la ruta de biosíntesis del ácido fólico (vitamina B⁹). Al no poder sintetizarse este último, la bacteria muere ya que el ácido fólico es necesario, a su vez, para la formación de los ácidos nucleicos, los cuales son imprescindibles para cualquier ser vivo. Observando las semejanzas entre las fórmulas del ácido p-aminobenzoico y de las sulfamidas es posible entender la actuación de estas como metabólicos.

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Inhibición no competitiva. El inhibidor no compite con el sustrato, sino que se une en otra zona de la enzima distinta del centro activo. Esta unión modifica la estructura de la enzima al tiempo que dificulta el acoplamiento del sustrato. En otras ocasiones, el inhibidor se une al complejo enzima-sustrato, una vez creado este, e impide la posterior formación del producto.

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VITAMINAS Y METABOLISMO. Las vitaminas son biomoléculas de muy variada complejidad, que pertenecen a varias clases de principios inmediatos. Por el importante papel que desempeñan en el metabolismo, se estudian de forma conjunta. Las vitaminas son indispensables en la dieta, dado que no pueden ser sintetizadas por organismos animales, salvo algunas excepciones, como la vitamina B⁵. Generalmente, los organismos vegetales son quienes las sintetizan; se ahí la importancia de incluirlos en la dieta en la proporción adecuada y completa. A pesar de ello, la ausencia de vitaminas en el organismo provoca las enfermedades carenciales que producen diversos trastornos metabólicos; al igual que el exceso de estos. Se clasifican en: • • •

Avitaminosis o ausencia total de una o varias vitaminas. Hipovitaminosis o presencia insuficiente en la dieta de una determinada vitamina que el organismo requiere. Hipervitaminosis o exceso de vitaminas. Se debe a la acumulación de una o varias vitaminas, y a la imposibilidad del organismo de eliminarlas por métodos habituales como en la orina. Esto no pasa en las hidrosolubles, que al disolverse fácilmente, no hay problemas en su eliminación.

Muchas de las vitaminas conocidas son precursoras de coenzimas y de moléculas activas en el metabolismo. Una molécula de vitamina con un pequeñísimo cambio en su estructura puede transformarse en una molécula activa, sea esta coenzima o no. Un ejemplo interesante de la relación entre vitaminas y formas moleculares activas se observa en el ciclo visual que tiene lugar en la retina cuando es excitada por la luz. CLASIFICACIÓN DE LAS VITAMINAS. Las vitaminas se suelen clasificar atendiendo a su solubilidad en agua. De acuerdo con esto, se distinguen dos grupos de vitaminas: •

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Hidrosolubles. Son solubles en agua y generalmente como coenzimas o precursores de coenzimas. A este grupo pertenecen todas las vitaminas del complejo B y la vitamina C. Liposolubles. Son insolubles en agua y solubles en disolventes no polares. Son lípidos insaponificables, y, generalmente, no son cofactores o precursores. En este grupo se encuentran las vitaminas A, D, E y K.

Un ejemplo de vitamina hidrosoluble es la B⁹, producida por bacterias intestinales, hígado y cereales. Transfiere los grupos monocarbonados, es antianémica y sintetiza 80

eritrocitos. Si falta, puede provocar algunas enfermedades como anemia, trombocitopenia, insomnio, depresión del sistema inmunitario. Otro ejemplo es la vitamina C, que conseguimos gracias a las hortalizas, leche y frutas. Es antioxidante, cofactor de hidroxilación y coenzima en la síntesis de colágeno. Evita enfermedades como el escorbuto y la propensión a enfermedades diversas.

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COMPOSICIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Los ácidos nucleicos son macromoléculas biológicas que realizan funciones muy importantes en todos los seres vivos. Son moléculas encargadas de almacenar, transmitir y expresar la información genética. Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN (ácido desoxirribonucleico) y el ARN (ácido ribonucleico). Son macromoléculas constituidas por subunidades más sencillas denominadas nucleótidos, que a su vez están formadas por la unión de una base nitrogenada, un azúcar de cinco átomos de carbono (pentosa) y una molécula de ácido fosfórico (H³PO⁴). •

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Las bases nitrogenadas son compuestos heterocíclicos, formados por carbono y nitrógeno. Las estructuras que las forman son planas. Existen dos tipos de bases nitrogenadas: púricas y pirimidínicas. o Bases pirimidínicas: derivan de la pirimidina. Son la citosina, la timina y el uracilo. La timina solo está en el ADN, y el uracilo en el ARN. o Las bases púricas: derivan de la purina. Tanto en el ADN como en el ARN se encuentran dos: la adenina y la guanina. Las pentosas pueden ser la ribosa, que se encuentra en los nucleótidos del ARN o ribonucleótidos, y la desoxirribosa, presente en los nucleótidos del ADN o desoxirribonucleótidos. Son monosacáridos cíclicos cuyos átomos de carbono, cuando forman parte de los nucleótidos, se enumeran como 1’,2’,3’, etc., para evitar confusiones con la enumeración dada a los átomos de las bases nitrogenadas. El ácido fosfórico se encuentra en los nucleótidos en forma de ión fosfato.

NUCLEÓSIDOS. Resultan de la unión entre una base nitrogenada y una pentosa, mediante un enlace N-glucosídico entre el C1’ de la pentosa y un nitrógeno de la base (el N1 si es pirimidínica o el N9 si es púrica) con la pérdida de una molécula de agua. Se nombran añadiendo el nombre de la base la terminación –osina si es una base púrica, por ejemplo la adenosina, o la terminación –idina si se trata de una base pirimidínica, por ejemplo la citidina. Si la pentosa es la desoxirribosa, se añade el prefijo desoxi-; por ejemplo, desoxiadenosina o desoxicitidina. NUCLEÓTIDOS. Son los ésteres fosfóricos de los nucleótidos. Se forman por unión de un nucleósido con la molécula de ácido fosfórico en forma de ión fosfato (PO4³⁻), que le confiere un carácter fuertemente ácido al compuesto. El enlace éster se produce entre el grupo hidroxilo del carbono 5’ de la pentosa y el ácido fosfórico. Se nombran como el nucleósido del que proceden eliminando la a final y añadiendo la terminación 5’83

fosfato, o bien monofosfato; por ejemplo, adenosín 5’-fosfado o adenosín-5monofosfato (AMP).

NUCLEÓTIDOS NO NUCLEÍDOS. Además de los nucleótidos que integran los ácidos nucleicos, existen otros que tienen una importancia biológica notable y que no forman parte de ellos; se denominan nucleótidos no nucleídos. Se encuentran libres en las células, e intervienen en el metabolismo y en su regulación como activadores de enzimas, aportando energía química en las reacciones celulares y como coenzimas. NUCLEÓTIDOS DE ADENINA. •

El ADP y el ATP. La importancia de estos nucleótidos radica en que los grupos fosfatos se unen entre sí mediante enlaces ricos en energía. Esta energía se acumula al formarse el enlace y se libera fácilmente cuando este se rompe por hidrólisis. Son moléculas transportadoras de energía. El ADP (adenosín difosfato) y el ATP (adenosín trifosfato) son los portadores de energía más importantes. El ATP actúa como “moneda de intercambio de energía”. La energía desprendida en las reacciones exergónicas se utiliza para formar ATP a partir de ADP y ácido fosfórico (fosforilación), mientras que la energía que se necesita en las reacciones endergónicas procede de la liberada cuando el ATP se hidroliza a ADP y ácido fosfórico (defosforilación). Además del ATP y el ADP, también intervienen en algunas reacciones metabólicas los nucleótidos de guanina GTP y GDP.

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El AMP cíclico (AMPc) es un nucleótido de adenina cuyo aminoácido fosfórico está esterificado con los carbonos 5’ y 3’ de la ribosa, formando una estructura cíclica. Se forma en las células a partir del ATP intracelular, mediante una reacción catalizada por la enzima adenilato ciclasa localizada en la membrana celular. La adenilato ciclasa se activa cuando determinadas hormonas se unen en la membrana plasmática a receptores específicos. Así, la unión de una hormona al receptor adecuado hace que se produzca AMPc. Esta molécula, directa o indirectamente, activa enzimas que actúan en numerosas reacciones metabólicas. Debido a la forma en cómo se origina, al AMPc se le denomina “segundo mensajero”, ya que transmite y amplifica en el interior de la célula las señales

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que le llegan a través de la sangre mediante las hormonas, que son los “primeros mensajeros”. NUCLEÓTIDOS COENZIMÁTICOS. Las coenzimas son moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en las reacciones catalizadas enzimáticamente, actuando, generalmente, como transportadores de electrones. Tienen diversa naturaleza química, pero muchas de ellas son nucleótidos. A diferencia de las enzimas, las coenzimas no son específicas en cuanto al sustrato cobre el que actúan sino que cada grupo de coenzimas interviene en un mismo tipo de reacción, independientemente de cuál sea el sustrato. Los principales nucleótidos coenzimáticos son: •

Los nucleótidos de flavina, que están formados por una base nitrogenada, la flavina, y como pentosa, un derivado de la ribosa, el ribitol. Al unirse ambos para formar el nucleósido, constituyen un compuesto denominado riboflavina o vitamina B². Los nucleótidos de flavina son: o FMN: flavín-mononucleótido. La flavina está unida a un grupo fosfato. o FAD: flavín-adenín-dinucleótido, formado por una molécula de FMN unida mediante un enlace fosfodiéster a otra de AMP (adenosín monofosfato). Ambos son coenzimas de las deshidrogenadas, enzimas que catalizan las reacciones de oxidación-reducción, y se pueden encontrar tanto en forma oxidada (FAD, FMN) como en forma reducida (FADH², FMNH²). Para pasar de una forma a otra, captan o ceden hidrógenos oxidando o reduciendo el sustrato.

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Los nucleótidos de piridina, que son dinucleótidos formados por la unión mediante enlace fosfodiéster al nucleótido de nicotimida y el de adenina. La nicotinamida, también llamada vitamina B³ o niacina, es una base nitrogenada derivada de la piridina. Existen dos nucleótidos de piridina: NAD⁺ y NADP⁺. Son también coenzimas de deshidrogenasas. SE pueden encontrar en forma oxidada (NAD⁺, NADP⁺) o reducida (NADH, NADPH). Intervienen en diversos procesos metabólicos, como la respiración celular.

•

Coenzima A.

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ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN) El médico suizo F. Miescher aisló en 1869, a partir de núcleos celulares de leucocitos, una sustancia formada por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo, a la que denominó nucleína. Posteriormente, se demostró que la sustancia aislada era un ácido, y se llamó ácido nucleico. En la década de los años treinta, A. Kossel y P. Levene establecieron que la nucleína era el ácido desoxirribonucleico (ADN), que, como sabemos, está constituido por subunidades que se repiten en la molécula. Estas subunidades son los nucleótidos. El ADN es un polímero lineal formado por desoxirribosa de adenina, guanina, citosina y timina. Al igual que ocurre con las proteínas, el ADN posee diferentes niveles de complejidad estructural. Presenta, fundamentalmente, estructura primaria y secundaria; aunque asociado o no a proteínas nucleares, adopta estructuraras superenrolladas o empaquetadas que equivaldrían a una estructura terciaria. ESTRUCTURA PRIMARIA. Es la secuencia de nucleótidos, de estructura y dimensiones conocidas, unidos por enlaces fosfodiéster. Los enlaces fosfodiéster se establecen entre el radical fosfato situado en el carbono 5`de un nucleótido y el radical hidroxilo (-OH) del carbono 3’ del siguiente nucleótido (enlace 5’ --> 3’). La cadena de ADN presenta dos extremos libres: el 5’, unido al grupo fosfato, y el 3’, unido a un hidroxilo. Las cadenas de nucleótidos se diferencian en el tamaño, en la composición en la secuencia de bases que indica el orden en que A, T, C y G se sitúan en la cadena. Cuando se representa una cadena de ADN, normalmente solo se indica la secuencia de desoxirribonucleótidos de manera abreviada. Así, la desoxiadenosín-5’-monofosfato (AMP) se abreviaría simplemente con la inicial de la base que contiene: A. El orden en que están unidos lo nucleótidos en la molécula de ADN es determinante a la hora de sintetizar una proteína: por ejemplo, la secuencia ATTGGCATG significa una cosa mientras que la secuencia GCTATTCG significa otra distinta y sintetiza una proteína diferente. La información genética contenida en la porción concreta de la molécula de ADN –lo que en genética molecular se denomina gen- lleva la información necesaria para que los aminoácidos se unan en un terminado orden, constituyendo la estructura primaria

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de una proteína: que a su vez, determina la estructura tridimensional que tiene, y con ello, la función que ejerce la célula.

ESTRUCTURA SECUNDARIA: EL MODELO DE WATSON Y CRICK. La estructura espacial del ADN fue establecida en 1953 por Watson y Crick. Ya se sabía que estaba formado por nucleótidos de estructura y dimensiones conocidas, unidos por enlaces fosfodiéster. Además, aprovecharon los trabajos realizados por Chargaff, Franklin y Wilkins sobre el contenido de las bases nitrogenadas y la difracción de rayos X, como base para descubrir la estructura del ADN: • • •

El ADN es una molécula larga, rígida y no plegada, como ocurre con las proteínas. En la molécula existen detalles estructurales repetidos cada 0,34nm y cada 3,4nm. La composición de las bases varía, pero para la misma especie, el contenido de las bases púricas es igual al de las pirimidínicas; o, lo que es lo mismo, la proporción de adenina es igual a la de timina, y la de citosina igual a la guanina.

Watson y Crick propusieron un modelo que era compatible con estos datos y que permitía comprender el funcionamiento del ADN en la transmisión de la información genética. Uno de los trabajos en los que se basaron, de Chargaff, consistía en una serie de experimentos que obtuvieron los siguientes resultados, conocidos como regla de Chargaff: •

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El contenido de adenina de una molécula de ADN es igual al contenido de timina y el de guanina al de citosina. Esta relación A = T, G = C, se denomina principio de equivalencia de bases. La suma de bases púricas es igual a la suma de bases pirimidínicas.

Otro dato importante para deducir la estructura del ADN, fue la imagen de la molécula cristalizada obtenida por difracción de rayos X. Estas imágenes proponían una estructura helicoidal, conocida y famosa en aquella época por el descubrimiento de la α-hélice de las proteínas, pero que no se entendía cómo podían trasladarse a una estructura molecular como la de las cadenas de nucleótidos. Gracias a esto, descubrieron que el ADN es una doble hélice de 2nm de diámetro, formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje imaginario; las bases nitrogenadas se encuentran situadas en el interior. Los planos de sus anillos son paralelos entre sí y perpendiculares al eje de la doble hélice. Así, esta 87

estructura recuerda a una escalera de caracol en la que los peldaños son las bases nitrogenadas, y los pasamanos de las cadenas formadas por azúcar y el ácido fosfórico. •

• • •

La estructura secundaria del ADN es de una doble hélice dextrógira de dos cadenas complementarias enrolladas, que se disponen en torno a un eje común. Las cadenas son complementarias, no iguales, puesto que la secuencia es distinta. Son opuestas porque las bases se enfrentan entre sí; y son antiparalelas porque una se sitúan en sentido (5’-3’) y la otra en sentido (3’-5’). Las bases nitrogenadas se disponen hacia el interior y los fosfatos hacia el exterior. Las bases complementarias están apareadas mediante puentes de hidrógeno que unen las dos cadenas, como hemos visto anteriormente. Cada vuelta mide aproximadamente 3,4nm e incluye unos diez nucleótidos.

ESTRUCTURA TERCIARIA Las moléculas de ADN circular, como el ADN bacteriano o el ADN mitocondrial, presentan una estructura terciaria, en la que la fibra de 20A⁰ se encuentra retorcida sobre sí misma formando una superhélice. Esta disposición se denomina estructura terciaria del ADN o ADN superenrollado. Los superenrollamientos se generan porque una de las cadenas da más vueltas a la derecha que la otra y la tensión aumenta. Para su duplicación, el ADN se desespiraliza, es decir, se deshacen vueltas a la derecha, gracias a lo cual la tensión disminuye y se produce la relajación de la molécula. NIVELES DE EMPAQUETAMIENTO. El ADN consigue una elevada condensación gracias a los diferentes niveles estructurales que presenta, aunque en todas las células eucarióticas, el ADN se empaqueta aún más, gracias a su unión con las histonas. En el caso de los espermatozoides, las cadenas de ADN se unen a otro tipo de proteínas, llamadas protaminas. Gracias a la asociación con estas proteínas, el ADN presenta diferentes niveles de empaquetamiento: •

Primer nivel de empaquetamiento o fibra de cromatina de 100 A⁰. También llamado «collar de perlas», está constituida por la fibra de ADN de 20 A⁰ (doble hélice) asociada a histonas, proteínas básicas de baja masa molecular. Aproximadamente, hay la misma cantidad en masa de histonas que de ADN.

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Este collar de perlas se encuentra en el núcleo durante la interfase del ciclo celular de todas las células eucarióticas, menos en los espermatozoides. Estructuralmente, esta fibra de cromatina está constituida por una sucesión de partículas de 100 A⁰ de diámetro denominadas nucleosomas. Cada nucleosoma está formado por un octámero de histonas (ocho moléculas de cuatro tipos diferentes de histonas: dos moléculas de H2A, dos moléculas de H2B, dos moléculas de H3 y otras dos de H4) y por una fibra de ADN de 200 pares de bases de longitud. La fibra de ADN se extiende desde el extremo que une el nucleosoma anterior, pasando por la parte que se enrolla sobre el octámero hasta el extremo que une el nucleosoma posterior. El ADN que hay entre un octámero y el siguiente se denomina espaciador. Esta fibra de cromatina de 100 A⁰ se encuentra en forma laxa. Pero si el nucleosoma se asocia a una molécula de histona H1, la fibra se acorta y pasa a estar condensada. La fibra de cromatina de 100 A⁰ también recibe el nombre de filamento nucleosómico o nucleofilamento. •

Segundo nivel de empaquetamiento o fibra de cromatina de 300 A⁰. También llamado «solenoide», se forma por el enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina de 100 A⁰ condensada, es decir la que contiene la histona H1. En cada vuelta hay seis nucleosomas y seis histonas H1 que se agrupan entre sí y forman el eje central de fibra de 300 A⁰. Esto provoca un acortamiento de unas cinco veces la longitud del «collar de perlas». Durante la interfase, en el núcleo se encuentra la mayor parte de la cromatina, la eucromatina, en forma de fibras de 100 A⁰. En cambio, en los cromosomas el nivel más bajo de empaquetamiento es de la fibra de 300 A⁰.

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Tercer nivel de empaquetamiento o «dominios en forma de bucle». La fibra de 300 A⁰ forma una serie de bucles, denominados dominios estructurales en forma de bucle, de entre 20 000 y 70 000 pares de bases de longitud. Estos bucles quedan estabilizados por un andamio proteico o armazón nuclear. Muchas veces se encuentran enrollados sobre sí mismos formando prominencias de unos 600 A⁰ de grosor.

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Niveles superiores de empaquetamiento. La fibra de 300 A⁰ tan solo consigue reducir la longitud de la fibra de ADN de 20 A⁰ entre unas 35 o 40 veces. En cambio, el grado de empaquetamiento en la fase de división es de entre 100 y 1 000 veces, y en los cromosomas es casi de 10 000. Por ejemplo, un cromosoma humano, que mide tan solo 5,5 µm de longitud, contiene 4 cm de fibra de ADN, lo que significa una reducción de la longitud de unas 7 000 veces.

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Los niveles superiores de plegamiento no se conocen todavía con exactitud, pero en el cromosoma se ha observado un eje de proteínas SMC, que contienen histonas y topoisomerasas y que mantienen la estructura de los cromosomas condensados. El cromosoma en metafase presenta el grado máximo de empaquetamiento de la fibra de cromatina. COMPLEMENTARIEDAD ENTRE LAS BASES. Las bases nitrogenadas de las dos cadenas polinucleotídicas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno. El número de enlaces depende de la complementariedad de bases. Siempre que en una de las cadenas haya una adenina, en la otra habrá una timina, que es su base complementaria; lo mismo ocurre con la citosina, que se enfrenta siempre a la guanina. La complementariedad entre las bases se manifiesta mediante enlace de hidrógeno entre sus grupos polares. Así, entre la adenina y la timina se establecen dos enlaces de hidrógeno, y entre la guanina y la citosina, tres. Es imposible que se enfrenten bases no complementarias, ya que, debido a la estructura y al tamaño de las bases púricas y pirimidínicas, se producirían dispersiones en el tamaño de la hélice e inestabilidad en los enlaces de hidrógeno. El medio de Watson y Crick recoge las máximas posibilidades de apareamiento entre las bases en cuanto al número de enlaces de hidrógeno y en cuando a la estabilidad para la estructura del ADN. ESTRUCTURAS ALTERNATIVAS DE LA DOBLE HÉLICE. La configuración espacial descrita por Watson y Crick se denomina forma B, y durante mucho tiempo fue considerada como la única. En la actualidad se conocen otras formas, siendo la forma A y la Z las mejor estudiadas. FORMA B DEL ADN La forma B es considerada como la de mayor interés biológico por ser la que se encuentra al estudiar el ADN en disolución; además, es la forma que normalmente el ADN interacciona con las proteínas del núcleo. FORMA A DEL ADN La forma A se obtiene a partir de la B cuando la humedad relativa se reduce al 75% y nunca se encuentra en condiciones fisiológicas, sino que solo se ha observado en condiciones de laboratorio.

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Se trata de una doble hélice dextrógira, es decir, gira en sentido horario al igual que la forma B. Los pares de bases se encuentran inclinados 20º con respecto al eje de la hélice, eje que atraviesa dichos planos por puntos desplazados del centro. En una doble hélice más ancha y más corta que la B, puesto que mide 2,3nm, y posee 11 pares de bases por cada vuelta.

FORMA Z DEL ADN La forma Z es más larga y estrecha que la forma B. Mide 3,8nm y por cada vuelta de hélice hay 12 pares de bases; las dos cadenas de polinucleótidos se encuentran enrolladas formando un zigzag, y, además, es levógira, es decir, gira en sentido antihorario. Esta forma se debe a la presencia de numerosos nucleótidos de guanina y citosina alternantes (GCGCGCGC). Puede aparecer en determinadas condiciones en los seres vivos. Se cree que esta forma estructural del ADN interviene en los procesos de la expresión del mensaje genético. FUNCIÓN BIOLÓGICA DEL ADN. El ADN es el almacén de la información genética y la molécula encargada de transmitir a la descendencia las instrucciones necesarias para construir todas las proteínas presentes en un ser vivo. Para ello, tiene la capacidad de realizar copias de sí mismo mediante un mecanismo, la replicación, que se basa en la complementariedad entre las bases nitrogenadas de las dos cadenas del ADN. Existe cierta correspondencia entre la complejidad de un organismo y la cantidad de ADN que contiene. Resulta lógico pensar que cuanto más complejo sea un organismo, mayor número de proteínas deferentes necesitará. Así existe una notable diferencia en el contenido en ADN de virus, bacterias, levaduras y seres pluricelulares. Sin embargo, dentro de un mismo grupo, como ocurre en los vertebrados, puede haber a su vez, grandes diferencias en el contenido de ADN, sin que exista una diferencia significativa en su complejidad. Si comparamos el contenido de ADN en ranas y tritones, se pueden apreciar diferencias de hasta 100 veces. EL ADN EN LAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS Y PROCARIÓTICAS. En ambos tipos celulares, el ADN puede adoptar diversas formas y niveles de complejidad.

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En las células procarióticas existe una molécula de ADN circular, es decir, con sus extremos cerrados, que recibe el nombre de cromosoma bacteriano. Además, a veces contiene otras moléculas circulares más pequeñas llamadas plásmidos. En las eucarióticas, el ADN se encuentra en el interior del núcleo formando largas moléculas lineales asociadas a proteínas básicas. Cada molécula de ADN, con sus proteínas asociadas, forma una fibra visible al microscopio electrónico. El conjunto de todas estas fibras constituye la cromatina. Cuando la célula se va a dividir, cada fibra de cromatina se compacta y forma los cromosomas. Se calcula que todo el ADN contenido en los 46 cromosomas de una célula humana mida 2,36 metros. Aunque la mayor parte del ADN de las células eucarióticas se encuentra en el núcleo, también lo hay en las mitocondrias y cloroplastos; es un ADN que codifica algunas de las proteínas propias de los orgánulos. Normalmente, cada orgánulo contiene varias copias de su ADN con forma de anillo, similar al de los procariontes, aunque de menor longitud. En los virus, el ADN puede adoptar múltiples formas. Los virus contienen una sola molécula, puede ser monocatenaria o bicatenaria, según está compuesta de una sola hebra de ADN o de dos. Además, ambos tipos pueden presentarse en forma lineal o circular.

EL ÁCIDO RIBONUCLEICO (ARN) Casi de manera simultánea al descubrimiento del ADN por Miescher, Félix HoppeSeyler descubrió una sustancia similar que resultó ser el ácido ribonucleico (ARN). El ARN está formado por la unión de ribonucleótidos de adenina, guanina, citosina y uracilo, mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5’ – 3’. Además de las cuatro bases (A, C, G, U), pueden aparecer otras que, en la mayoría de los casos, son los derivados metilados. En la mayor parte de los organismos, el ARN es monocatenario, salvo en algunos virus en los que es bicatenario. En los monocatenarios, algunas zonas de su molécula, denominadas horquillas, pueden presentar estructuras de doble hélice como resultado de la formación de enlaces de hidrógeno entre bases complementarias. Cuando las zonas complementarias están separadas por regiones no complementarias, se forman bucles. En prácticamente todos los organismos vivos, la función del ARN es la misma: dirigir la síntesis de las proteínas a partir de la información obtenida del ADN. Todos los ARN se forman a partir del ADN, tomando una parte de él como molde; este hecho hace

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que ambos sean complementarios. En los virus que carecen de ADN, Es el ARN quien realiza las funciones de almacenar y transmitir la información genética. Existen varios tipos diferentes de ARN con la misma composición química, pero con distintas estructuras y función. EL ARN MENSAJERO (ARNM) Constituye entre el 2% y el 5% del total del ARN. Presenta una estructura lineal salvo en algunas zonas de la cadena, donde se forman horquillas debido a la presencia de complementariedad entre las bases. Su función es copiar la información genética del ADN (transcripción) y llevarla hasta los ribosomas, que son los orgánulos donde se realiza la síntesis de las proteínas. Cada ARN mensajero se sintetiza tomando como molde una porción de ADN, y es complementario a él. En las células eucarióticas, el ARN, se denomina monocistrónico, ya que lleva información para que se sintetice una proteína. En las células procarióticas, cada molécula de ARN, contienen información separada para la síntesis de varias proteínas distintas, y se denomina policistrónico. El ARNm tiene una vida muy corta -algunos minutos-, ya que es destruido por la acción de las enzimas llamadas ribonucleasas; de lo contrario, el proceso de la síntesis proteica continuaría indefinidamente. ARN RIBOSÓMICO (ARNR) Agrupa varios ARN diferentes y constituye hasta un 80% del total de ARN de una molécula. Las moléculas de ARNr son largas y monocatenarias; aunque en algunas regiones, las bases nitrogenadas se encuentran apareadas. Por tanto, en esas zonas, el ARNr tiene una estructura de doble cadena. También se denomina ARN estructural, ya que varias moléculas de este ARN, asociadas a un conjunto de proteínas básicas (más de 70), forman un ribosoma que es el orgánulo donde se sintetizan las proteínas. ARN DE TRANSFERENCIA (ARNT) Su función es transportar los aminoácidos hasta los ribosomas, para que allí se unan y formen las proteínas. Está constituido por un número de nucleótidos que oscila entre 70 y 90. Algunas zonas de la molécula presentan una estructura en forma de doble hélice, y en donde no 93

existe apareamiento, se forman bucles. Si la molécula de ARNt se dispone en un plano, su aspecto recuerda al que tiene una hoja de trébol; pero vista en tres dimensiones, su forma es parecida a la de la letra L. Una de las características del ARNt es la presencia de nucleótidos con bases nitrogenadas diferentes (10% en total) a las normales (A, U, G, C). Existen hasta 50 tipos distintos de ARNt, pero todos tienen algunas de las características comunes: • •

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En el extremo 5’ hay un triplete de bases nitrogenadas en el que siempre existe guanina y un ácido fosfórico libre. El extremo 3’ está formado por tres bases nitrogenadas (C-C-A) sin aparear, siendo este el lugar donde el ARN de transferencia se une al aminoácido que va a transportar hasta el ribosoma. En el brazo A existe un triplete de bases nitrogenadas, llamadas anticodón, diferente para cada ARNt en función del aminoácido que va a transporta, y es complementario del correspondiente triplete codón del ARNm.

Además de estas tres zonas específicas, los ARNt tienen otras dos: el brazo T (por llevar timina), que es lugar donde se fija el ribosoma; y el brazo D, que es la zona por donde se une al ribosoma que cataliza su unión con el aminoácido. Esta enzima es la amiloacil-t-ARN sintetasa. ARN NUCLEOLAR (ARNN) Se encuentra asociado a diferentes proteínas, formando el nucléolo. Se origina en el núcleo a partir de diferentes segmentos del ADN, denominados organizadores nucleolares. Una vez formado, se fragmenta y da origen a los diferentes tipos de ARN ribosómico. OTROS TIPOS DE ARN Además de los anteriores ARN, existen otros tipos localizados en el núcleo y en el citoplasma. Algunos tienen complejas estructuras tridimensionales y ejercen una función catalítica, por lo que reciben el nombre de ribozimas. Otros se asocian con proteínas para formar ribonucleoproteínas, algunas de las cuales modifican los ARNm para hacerlos funcionales. Existen algunos ARN que son autocatalíticos, es decir, son capaces de escindirse en varios fragmentos por sí mismos sin ayuda de ninguna enzima.

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DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

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DEL ADN A LAS PROTEÍNAS EL ADN COMO MATERIA HEREDITARIO. La primera evidencia de que el ADN es el materia hereditario fue obtenida en 1928 por F. Griffith cuando buscaba una vacuna contra la neumonía provocada por la bacteria Streptococus pneumoniae. Descubrió que existían dos cepas de bacterias distintas: •

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Cepas S. Las bacterias de esta cepa poseen una cápsula gelatinosa de polisacáridos, y son capaces de provocar la enfermedad cuando se inoculan en un medio animal sano. La cápsula confiere a las colonias un aspecto liso. Cepas R. Estas bacterias no provocan la enfermedad. Carecen de cápsula gelatinosa, por lo que sus colonias tienen un aspecto más rugoso que las S

EXPERIMENTOS DE GRIFFITH. Griffith pensó que se podían inmunizar ratón inyectándoles bacterias virulentas (S) muertas por el calor, o bien hacerlo con bacterias vivas no virulentas (R). En sus experimentos obtuvo algún resultado inesperado: 1. Los ratos inoculados con cepas S contraen la enfermedad y mueren. De ellos se extraen bacterias vivas de cepa S. 2. Los ratos inoculados con cepas S, muertas por el calor, no contraen la enfermedad. De ellos, por tanto, no se extraen bacterias vivas. 3. Los ratones inoculados con cepas R no contraen la enfermedad. De ellos no se extraen bacterias vivas, pues no crecen en el animal. 4. Los ratones inoculados con cepas S, muestras por el calor, y, simultáneamente, cepas R vivas contraen la enfermedad y mueren. De ellos se extraen bacterias vivas de la cepa S. Los resultados del experimento 4 llevaron a Griffith a deducir que en las bacterias muertas existía “algo”, que llamó principio transformante, que era captado por las bacterias vivas no virulentas, y transformaban sus caracteres hereditarios convirtiéndolas en virulentas. En 1944, Avery y sus colaboradores demostraron que el principio transformante de Griffith era el ADN, pues para que un extracto de células S transformara una cepa de células R, el único componente que debía contener, necesariamente, era el ADN. Esto demostraba que el ADN era el material genético en bacterias, pero no fue hasta 1952 cuando se tuvo la certeza de que era así en el resto de los organismos. La demostración experimental se debió a Alfred Hershey y Martha Chase, que trabajaron con bacteriófagos T2, un virus que ataca a la bacteria E. coli, y que está 96

formado únicamente de ADN y proteínas; las dos sustancias de las que se sospechaba que podría estar formado el material hereditario. Las proteínas del virus poseen azufre, pero no fósforo; mientras que el ADN lleva fósforo pero no azufre. Marcaron radiactivamente un grupo de virus con 32P, y el otro 35S. Con cada grupo infectaron un cultivo bacteriano diferente, que posteriormente se sometió a agitación y centrifugación para separar los restos de virus de las bacterias. Se midió la radioactividad, tanto del medio extracelular como del intracelular, y observaron que el 35S había quedado en el exterior de las células, mientras que el 32P había entrado en las células con el ADN y provocado la formación de nuevos virus. El virus inyecta su ADN en la bacteria, donde se integra en el cromosoma bacteriano y dirige la formación de las cápsulas de los nuevos virus. ESTRUCTURA DEL GENOMA Y SU EXPRESIÓN. El genoma de un organismo es su material genético, es decir, su ADN. Aunque la información se almacena en forma de genes a lo largo del genoma, existen diferencias en el modo que procariontes y eucariontes organizan su genoma. UN GEN, UNA ENZIMA. En la década de los años cuarenta del siglo XX, G. Beadle y E. Tatum fueron los primeros en establecer la existencia de una relación directa entre la molécula de ADN y la secuencia aminoácidos de una enzima, y propusieron la hipótesis de “un gen, una enzima”. Según esta hipótesis, un gen contiene la información para que los aminoácidos se unan en un determinado orden y formen una enzima. Para establecer esta hipótesis, trabajaron con el hongo común del pan, Neurospora crassa, al que sometieron a elevadas dosis de rayos con la finalidad de aumentar la tasa de mutación, y observaron que algunas mutaciones afectan a ciertas enzimas, que perdían su actividad normal. Posteriormente, puesto que no todas las proteínas son enzimas y que algunas proteínas están formadas por más de una cadena polipeptídica, la hipótesis “un gen, una enzima” se transformó en la de “un gen, una cadena polipeptídica”. ORGANISMOS PROCARIÓTICOS. El genoma de los organismos procarióticos está formado por un solo cromosoma circular. Los genes son continuos, es decir, toda la información genética contenida en cada gen se traduce en la formación de una proteína. Además, muchas bacterias contienen plásmidos, que son moléculas de ADN circulares más pequeñas que el cromosoma y con capacidad para replicarse independientemente de él. 97

ORGANISMOS EUCARIÓTICOS. La mayor parte del ADN en eucariontes se encuentra en el núcleo, y constituye el genoma nuclear. No existe una relación directa entre la complejidad del organismo y la cantidad de ADN, ya que la mayor parte de este no codifica proteínas ni interviene en la regulación de su síntesis. El genoma de los eucariontes es más complejo que el de los procariontes debido a: • • •

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La mayor cantidad de ADN. La presencia de ADN repetitivo. Secuencias de nucleótidos altamente repetidas, que no codifican proteínas. Los genes se encuentran fragmentados en porciones, llamados intrones y exones, intercalados unos entre otros. Ambas porciones son secuencias de nucleótidos, que en el caso de los intrones se transcriben pero no se traducen; mientras que en el caso de los exones, se transcriben y se traducen, es decir, tienen información para formar una cadena polipeptídica; por tanto, codifican una secuencia de aminoácidos. El ADN está asociado con proteínas, las histonas para formar los cromosomas. Así, el genoma eucariótico se puede representar como grupos de exones y secuencias reguladoras en un mar de ADN, que no codifica proteínas y cuya función es desconocida. Una parte del genoma eucariótico se encuentra en los cloroplastos y en las mitocondrias; se trata de moléculas de circulares de ADN, relativamente pequeñas, que carecen de histonas. Su estructura es parecida a ala del cromosoma bacteriano. Los cromosomas de estos orgánulos forman un sistema genético propio con plena capacidad para realizar la replicación del ADN, transcripción y síntesis proteica. Sin embargo, la mayoría de las proteínas de estos orgánulos son codificadas por el ADN nuclear, sintetizadas en el citoplasma y transportadas de manera individual hasta el orgánulo.

FLUJO DE INFORMACIÓN GENÉTICA. Los estudios de Griffith, Avery, Hershey y Chase demostraron que el ADN contiene información para que los aminoácidos se unan y formen las proteínas. Sin embargo, dado que la síntesis de proteínas se realiza en los ribosomas, y que el ADN se halla en el núcleo, del que no sale, es necesaria la existencia de alguna molécula que actúe como intermediario entre el ADN y los ribosomas. Este papel de intermediario lo realiza un tipo de ARN, el ARN mensajero. El proceso de formación de los ARN se denomina transcripción.

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Con la información contenida en la molécula de ARNm se puede sintetizar una cadena polipeptídica en un proceso denominado traducción que ocurre en los ribosomas. En este proceso intervienen otros tipos de ARN, el ARN ribosómico, componente fundamental de los ribosomas, y el ARN de transferencia, que transportará los aminoácidos hasta los ribosomas. El flujo de información genética se puede expresar de la siguiente manera:

Todo este trasvase de información se produce gracias a la naturaleza química de los ácidos nucleicos. Debido a la complementariedad de las bases nitrogenadas, el ADN se puede replicar y transcribir a ARNm, que se va a traducir por medio de los ARNt y ARNr, también gracias a la complementariedad de bases. En la actualidad, esta forma de expresar el flujo de información genética ha tenido que modificarse debido a los mecanismos de replicación que presentan ciertos virus: a) Algunos virus que almacenan su información genética en forma de ARN poseen una enzima, la ARN-replicasa, capaz de fabricar copias de este tipo de ARN. b) Los retrovirus almacenan su información genética en una molécula de ARN. Emplean una enzima, la transcriptasa inversa, que sintetiza ADN a partir de una molécula de ARN en un proceso que recibe el nombre de retrotranscripción o transcripción inversa. Tras el descubrimiento del comportamiento de estos virus, el dogma central de la biología molecular hubo de ser redefinido:

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SÍNTESIS DEL ARN: TRANSCRIPCIÓN Es la formación de una molécula de ARN a partir de la información contenida en la hebra de un fragmento de ADN.

La síntesis ocurre en el núcleo y requiere: a) Una cadena de ADN que actúe como molde. De las dos cadenas de nucleótidos que forman el gen, solo una –la denominada molde– se transcribe realmente, mientras que la otra –llamada informativa o codificante– no lo hace. b) Enzimas. El proceso está catalizado por las ARN-polimerasas. En los procariontes solo existe una mientras que en los eucariontes existen tres ARNpolimerasa I, II y III. La I interviene en la formación del ARNr, la II lo hace en la síntesis de todos los ARNm, y la III en la de ARNt, el ARN-u (rico en uracilo) y ARNr de pequeño tamaño. c) Ribonucleótidos trifosfatos de A, G, C y U. Se unen mediante un enlace éster entre el ácido fosfórico, situado en la posición 5’ de un ribonucleótido trifosfato, y el grupo –OH, situado en posición 3’ del último ribonucleótido de la cadena de ARN en formación La síntesis se produce por complementariedad y asimetría. La cadena de ARN que forma es complementaria de un fragmento de una de las cadenas de ADN que componen la doble hélice. Será un fragmento u otro en función de la secuencia de nucleótidos específicos que reconoce el ARN polimerasa. El resultado del proceso de transcripción es un ARN transcrito primario que solo en algunos casos será ARN mensajero. En otros sufrirá un proceso de maduración para convertirse en los ARN que intervienen en la síntesis de proteínas. Existen notables diferencias en la síntesis de ARN en las células eucarióticas y en las células procarióticas.

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TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIONTES. Es un ADN circular, de doble cadena y no unido a histonas. INICIACIÓN Comienza cuando la ARN polimerasa reconoce en el ADN que se va a transcribir una señal que indica el inicio del proceso. Esta señal, denominada centro promotor o “caja TATA”, es una secuencia corta de bases nitrogenadas (TTGACA o TATATT) a las que se une la ARN polimerasa. La transcripción empieza con la fijación del primer nucleótido trifosfato, que usualmente es de Adenina o de Guanina. ELONGACIÓN El ARN polimerasa avanza a lo largo del ADN colocando los ribonucleótidos complementarios y asimétricos a la cadena de ADN molde, abriendo la hélice a medida que se desplaza. Lo lee en dirección 3’5’ mientras que el sentido de la síntesis del ARN es de 5’3’. FINALIZACIÓN La terminación ocurre cuando el ARN pol lee la secuencia TTTT, que es la señal de finalización. La cadena obtenida puede dar ARNm, que se lee para la síntesis de proteínas y puede ser policistrónico (con información para varias cadenas peptídicas); o puede dar un transcrito primario que, con la maduración, da ARNt o ARNr. TRANSCRIPCIÓN EN EUCARIONTES. Existen tres ARN-polimerasa: I, II y III. La I interviene en la formación del ARNr, la II lo hace en la síntesis de todos los ARNm, y la III en la de ARNt, el ARN-u (rico en uracilo) y ARNr de pequeño tamaño. La transcripción se da en el núcleo, que da lugar a distintos ARN que se traducen en el citoplasma. El gen es la información de ADN fragmentada. INICIACIÓN La mayoría de los centros promotores tienen una secuencia denominada caja TATA. Esta caja TATA se encuentra 30 nucleótidos antes del inicio del gen. 101

La dirección de lectura es 3’->5’ y la de síntesis 5’ ->3’. ELONGACIÓN Transcripción de exones e intrones por complementariedad y asimetría. Los exones son secuencias que se expresan y los intrones son secuencias no codificantes o que no tienen su contrapartida con la proteína traducida. Tras la transcripción de algunos nucleótidos, en el extremo 5’ se añade un nucleótido de metil guasina trifosfato (caperuza) que durante la traducción será una señal de reconocimiento del inicio de lectura. FINALIZACIÓN La ARN polimerasa transcribe regiones de ADN largas, que exceden la longitud de la secuencia que codifica la proteína. En ciertos puntos, una enzima corta el fragmento de ARN que lleva la información para sintetizar la proteína, y el transcrito se acaba degradando por no tener caperuza. La señal de corte es una secuencia de terminación (AAUAAA) que aparece unos pocos nucleótidos antes del punto de corte. Después de la separación del ARN, una enzima añade en el extremo 3’ una secuencia formada por unos 200 nucleótidos de adenina llamada coli A. Así se obtiene el transcrito primario. Transcripción Procariontes. Eucariontes. • Núcleo. • Citoplasma • Formación de ARN transcrito • Maduración para ARNt y ARNr. primario. Necesita maduración • Policistrónico. para todo: ARNm, ARNt, ARNr. • Información genética continua • Monocistrónico. • Información genética fragmentada en exones e intrones. MADURACIÓN DEL ARN A veces, los ARNm no se pueden traducir directamente en proteínas, sino que necesitan un procesamiento previo o maduración postranscripcional. ORGANISMOS PROCARIÓTICOS. El ARN de los procariontes puede ser directamente traducido, y a partir de él, se forma una proteína funcional. No se puede hablar, por tanto, de una maduración de los mensajeros en estos organismos.

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Sin embargo, cuando se transcribe el ADN que codifica los ARNt y los ARNr, se forma una larga molécula de ARN que contiene numerosas copias de las secuencias del ARNr o del ARNt. Esta larga molécula, el transcrito primario, es posteriormente cortada en fragmentos más pequeños por enzimas específicas, para dar lugar a distintos ARNt y ARNr. ORGANISMOS EUCARIÓTICOS. En los organismos eucarióticos, la maduración es más compleja porque la mayor parte de los genes que codifican las proteínas están fragmentados (cada gen consta de intrones y exones intercalados unos con otros). Así pues, el ARNm transcrito primario está formado por intrones y por exones. Su maduración consiste en la eliminación de los intrones y la unión de los exones mediante un mecanismo que se conoce con el nombre de splicing. Requiere la presencia de una enzima llamada ribonucleoproteína pequeña nuclear. El proceso de “corte y empalme” comienza cuando las secuencias intrónicas forman unos bucles que provocan el acercamiento de los extremos de los exones, y continúa con el corte de los intrones y la unión de los exones para formar un ARNm que ya está en condiciones de salir del núcleo. Los intrones no existen en procariontes, y no se sabe la función que cumplen en los eucariontes. Lo que sí se sabe es que, a veces, un mismo gen puede madurar de diferentes maneras, dependiendo de cómo se eliminen los intrones. De este modo, a partir de un solo gen se pueden obtener diferentes proteínas. Actualmente, se piensa que los genes del primitivo antecesor –común a organismos procarióticos y eucarióticos– debían tener intrones. Las bacterias los habrían perdido por selección natural, pues para ellas es crucial dividirse muy rápidamente. Se habrían conservado en los organismos eucarióticos porque presentas ventajas evolutivas. Las levaduras, que son organismos eucarióticos con un modo de vida similar al de muchas bacterias, no presentan intrones; sin embargo, las mitocondrias, que probablemente descienden de bacterias endosimbiontes, sí tienen intrones en su ADN, pues no están sometidas a la misma presión. DESCUBRIMIENTO DEL CÓDIGO GENÉTICO. Los trabajos de Severo Ochoa partieron en 1955 de una enzima, la polinucleótido fosfoliasa, que cataliza la síntesis de un ARNm sin necesidad de utilizar un molde de ADN. Esta enzima, simplemente, une los ribonucleótidos que se encuentren en el medio. Ochoa desarrolló un procedimiento de laboratorio con el que obtuvo un ARN al que llamó poli U, pues estaba formado exclusivamente por uracilo. 103

CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO. La práctica totalidad de los organismos comparten un mismo código genético. El código genético comprende toda la información almacenada en el ADN. Para un codón de tres nucleótidos (un triplete) son posibles 4³ = 64 combinaciones diferentes; los 64 codones están asignados a aminoácido o a señales de parada en la traducción. Las características del código genético son: •

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Es universal. El código genético es compartido por todos los organismos conocidos, incluyendo los virus; así, por ejemplo, el codón UUG codifica para el aminoácido leucina tanto en los procariontes como en los eucariontes. Lo mismo ocurre con el resto de los codones. Este hecho indica que el código genético ha tenido un solo origen evolutivo. Gracias a la genética molecular, se ha descubierto que esta universalidad tiene excepciones: concretamente, las mitocondrias, algunas bacterias y algunos protozoos como Tetrahymena utilizan un código genético ligeramente diferente. Es degenerado. Este término indica que la mayor parte de los aminoácidos, a excepción de la metionina y el triptófano, están codificados por más de un codón. Los distintos codones que codifican para un mismo aminoácido se denominan codones sinónimos; esto supone una ventaja, ya que en el caso de que se produzca cambios en algún nucleótido, es decir, que haya mutaciones, no se tiene porqué alterar el orden de los aminoácidos que forman una proteína. No presenta imperfección. Ningún codón codifica más de un aminoácido; lo contrario significaría problemas considerables, pues a partir de un gen se sintetizarían proteínas diferentesCarece de solapamiento. Los tripletes de bases se hallan dispuestos de manera lineal y continua, sin que entre ellos existan comas ni espacio, y sin que compartan ninguna base nitrogenada. Su lectura se hace en un solo sentido (5’ -> 3’), desde el codón que indica el comienzo de la proteína hasta el que indica su final. Sin embargo, existe la posibilidad de un mismo ARNm contenga varios codones de iniciación. Esto significa que se podrían realizar varias fases de lectura y se sintetizaría más de un polipéptido.

EL PROCESO DE TRADUCCIÓN. Para que tenga lugar el proceso de traducción o síntesis de proteínas, se necesitan: • • •

Ribosomas, donde se realiza la síntesis proteica. ARNm, que lleva la información para sintetizar cada proteína. Aminoácidos, que con los componentes de las proteínas. 104

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ARN de transferencia, que aporta los aminoácidos en el orden preciso. Enzimas y energía, necesarias en toda reacción de biosíntesis.

La traducción se realiza en los ribosomas, orgánulos citoplasmáticos formaos por dos subunidades, una pequeña y otra grande, formadas por ARNr específicos y por proteínas. En la subunidad pequeña se une el ARNm, mientras que en la subunidad grande se unen los aminoácidos para formar la cadena polipeptídica. Ambas unidades se unen cuando se va a sintetizar proteínas. En el ribosoma se distinguen tres lugares diferentes de unisón de los ARN de transferencia: el sitio P, donde se sitúa la cadena polipeptídica en formación; el sitio A, donde entran los aminoácidos que se van a unir a la cadena proteica; y el sitio E, donde se sitúa el ARNt antes de salir del ribosoma. EL ARN DE TRANSFERENCIA (ARNT). Los ARNt son los encargados de transportar los aminoácidos hasta el ribosoma, e incorporarlos a la proteína en formación según indica la secuencia de bases del ARNm. Hay más de 29 ARNt diferentes, al menos uno por cada uno de los 20 aminoácidos proteicos. Como ya se estudió en la estructura del ARNt, existen dos zonas especialmente relevantes para su función. •

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El anticodón. Formado por tres bases nitrogenadas que son complementarias con las forman un codón del ARNm. Así, cada tipo de ARNt reconoce un codón del ARN. El extremo 3’. Lugar al que se une el aminoácido que corresponde al codón que reconoce ese ARNt.

ACTIVACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS. La activación consiste en la unión de un aminoácido con el ARNt que le corresponde. Interviene la enzima aminoacil ARNt sintetasa, que da lugar a un complejo denominado aminoacil ARNt. La reacción requiere energía, que es aportada por la molécula de ATP. La unión del aminoácido y su ARNt se realiza entre el grupo carboxilo del aminoácido y el grupo –OH del extremo 3’ del ARNt. Existen, al menos, 20 aminoácil-ARNt sintetasa; una para cada aminoácido. Estas enzimas son muy específicas, pues han de unir cada aminoácido al ARNt que le corresponde. Así pues, estas enzimas son piezas clave en la cadena de transferencia de la información. 105

LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS. Excepto con pequeñas diferencias, la síntesis proteica transcurre de igual forma en procariontes y en eucariontes. El proceso se puede dividir en varias etapas: INICIACIÓN DE LA CADENA PROTEICA. La síntesis se inicia cuando la subunidad pequeña del ribosoma y el ARNm se unen en un punto localizado cerca del codón AUG, que es el codón iniciador y marca el inicio de la proteína. A continuación está formado por tres bases UAC complementarias a las del codón iniciador. Este primer ARNt lleva unido el aminoácido N-formil metionina en procariontes, mientras que en los eucariontes es la metionina. Todas las proteínas e inician su síntesis con uno de estos aminoácidos, aunque en algún caso puede separarse una vez formada la proteína. La subunidad pequeña del ribosoma, el ARNm, y el primer aminoacil-ARNt forman el complejo de iniciación, al que después se une la subunidad grande del ribosoma. ELONGACIÓN DE LA CADENA PROTEICA. La elongación de la cadena proteica consiste en el alargamiento de la cadena proteica, y se inicia cuando un segundo aminoacil-ARNt –cuyo anticodón es complementario al codón situado a continuación del iniciador– entra en el ribosoma y ocupa el sitio AA que se halla libre. El siguiente paso es la formación de este enlace peptídico entre el aminoácido que ocupa el sitio P y el nuevo aminoácido que ocupa el sitio A. La reacción de formación del nuevo enlace peptídico está catalizada por la enzima peptidiltransferasa, cuya actividad catalítica reside en el ARN que forma parte de esta unidad; esto ha llevado a pensar que esta enzima es una ribozima. Como consecuencia de la formación de este enlace peptídico, el segundo ARNt queda unido por un extremo al dipéptido formado, y por el otro, a su codón complementario. A continuación se produce la trasladación del ribosoma. La trasladación implica el desplazamiento del ribosoma a lo largo del ARNm en sentido 5’ -> 3’. Como este desplazamiento es exactamente de tres bases, el primer ARNt abandona el ribosoma por el sitio E, y el peptidil ARNt –que todavía se mantiene unido a su codón– pasa a ocupar el sitio P, quedando libre el sitio A. En estas condiciones, otro aminoacil-ARNt se puede incorporar al sitio A, de manera que el proceso de alargamiento de la cadena proteica puede continuar, repitiéndose el ciclo. 106

TERMINACIÓN DE LA CADENA PROTEICA. La terminación de la cadena proteica tiene lugar cuando el ribosoma llega a un lugar del ARNm, donde se encuentra un codón de terminación que no es reconocido por ningún ARNt, y sí por unos factores de liberación de naturaleza proteica que se sitúan en el sitio A, y hacen que la peptidil-transferasa separe, por hidrólisis, la cadena polipeptídica del ARNt. Una vez completada la traducción, la proteína formada, el ARNm y el ARNt abandonan el ribosoma, que se disocia en sus dos subunidades hasta el momento en que se inicie una nueva síntesis. A medida que se van sintetizando, las proteínas adquieren la estructura secundaria y terciaria que les corresponde, mediante la formación de enlaces de hidrógeno y enlaces de disulfuro entre los aminoácidos que la constituyen. Tanto en procariontes como en eucariontes, si el ARNm que se tiene que traducir es lo suficientemente largo, puede ser leído por más de un ribosoma a la vez, formando un polirribosoma o polisoma este hecho permite que las células sinteticen rápidamente muchas copias de un mismo polipéptido. Los polirribosomas se pueden observar con ayuda del microscopio electrónico. En los procariontes, al no haber división entre núcleo y citoplasma, la traducción es simultánea a la transcripción: el ARNm comienza a traducirse antes de que termine la transcripción. Las tres etapas que caracterizan la síntesis de proteínas requieren energía, que se obtiene a partir de la liberada en la hidrólisis del GTP a GDP.

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LA REPLICACIÓN DEL ADN. Un acontecimiento clave en el ciclo celular, e imprescindible para que se realice la división celular, es la replicación (o duplicación) del ADN, que ocurre en la fase S de la interfase. El mecanismo general de la replicación fue intuido por Watson y Crick cuando establecieron la estructura de doble hélice y la complementariedad de las bases. Propusieron lo siguiente: la doble hélice de ADN se abre y las dos cadenas de nucleótidos se separan; a partir de cada una de las dos cadenas se forma una nueva, que es complementaria de la que ha servido como patrón. Sin embargo, la aceptación de este modelo requirió una demostración, pues el proceso podría ocurrir de otras maneras. Se plantearon tres modelos posibles: conservativo, dispersivo y semiconservativo. El más importante es el semiconservativo (el propuesto por Watson y Crick) en el que cada doble hélice conserva una hélice de las originales y sintetiza una nueva. LA REPLICACIÓN SEMICONSERVATIVA. Melson y Stahl en 1957, demostraron experimentalmente que el modelo correcto era el semiconservativo. En primer lugar, comprobaron en el experimento control que el ADN de bacterias cultivadas durante varias generaciones en un medio 15N (isótopo pesado del nitrógeno) era más pesado que el ADN de bacterias cultivadas en un medio normal con 14N. Además, ambos ADN se podían separar por ultracentrifugación. A partir del control, desarrollaron su experimento. EXPERIMENTO DE MEDELSON Y STAHL. 1. Cultivaron bacterias durante generaciones en un medio con 15N para que el ADN de la población incorporara el isótopo. 2. Transfirieron las bacterias a un medio con 14N, y dejaron que se produjeran varias generaciones o ciclos de replicación en este medio. 3. Tomaron una muestra de bacterias tras cada generación, les extrajeron el ADN y los centrifugaron para comprobar cómo se incorporaba el 14N En la primera generación obtuvieron una sola banda en posición intermedia; este hecho les indicó que todas las moléculas de ADN tenían la misma densidad 14N y 15N en la misma proporción. Este resultado descartaba el modelo conservativo. En la segunda y en la tercera generación se mantuvo la banda intermedia y apareció una banda correspondiente a ADN con 14N. Esta conclusión descartaba la hipótesis dispersiva. El único modelo compatible con los resultados era el modelo semiconservativo. 108

LAS FASES DE LA REPLICACIÓN EN PROCARIONTES. El ADN de lo procariontes se encuentra circular y no está asociado a histonas. Además, ocurre en la fase S del ciclo celular. Para realizarlo, necesitamos: • • •

Nucleótidos trifosfato de ribosa y de desoxirribosa. Enzimas: ADN polimerasa I, II, III; ARN polimerasa (primasa); y Helicasa, girasa, topoisomerasa o ligasa. Proteínas SSB.

Hoy día, basándose sobre todo en experimentos realizados con la bacteria E. coli, se ha desentrañado, en gran parte, la secuencia de reacciones que conducen a la replicación del ADN. Este proceso se divide en dos etapas: la iniciación y la elongación. Además, durante la elongación se lleva a cabo la corrección de errores que se hayan podido producir. •

Fase de iniciación. Consiste, básicamente, en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice. En el cromosoma bacteriano, la replicación tiene un origen único: se inicia en una región del ADN llamada oriC o punto de iniciación. En una zona donde abundan las secuencias de bases GATC. Durante la fase de iniciación, se producen varios acontecimientos: o El punto de iniciación es reconocido por unas proteínas específicas que se unen a él. Las enzimas helicasas rompen los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, y la doble hélice se abre como una cremallera. o Cuando la doble hélice se abre, se produce desenrollamiento en esa zona; esto crea tensiones en las zonas próximas, que podrían provocar un mayor enrollamiento. La acción de otras enzimas –las girasas y las topoisomerasas– evita esas tensiones, rompiendo y soldando de nuevo la hélice de ADN en estos puntos. o Las proteínas SSB. En el lugar de origen de la replicación, alrededor de oriC, se ha formado una burbuja de replicación en la que hay dos zonas con forma de Y denominadas horquillas de replicación, donde se van a sintetizar las nuevas hebras de ADN. La burbuja de replicación se va extendiendo a lo largo del cromosoma en los dos sentidos; de ahí que se diga que la replicación es bidireccional.

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Fase de elongación. Es la fase en la que se sintetiza una nueva hebra de ADN sobre cada hebra de la doble hélice original. Además de las enzimas que actúan en la fase de iniciación, en la elongación intervienen las ADN polimerasas, de varios tipos, I, II y III. Su función es doble:

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o Actividad polimerasa. Unen entre sí los nucleótidos que formarán el ADN. Para ello, recorren la hebra molde, seleccionan el desoxirribonucleótido cuya base es complementaria con la de la hebra molde, y lo unen, Las nuevas cadenas de ADN se sintetizan por unión de desoxirribonucleótidos trifosfatos. La energía necesaria para la formación del nuevo enlace se obtiene de la liberada en la hidrólisis del enlace entre dos grupos fosfatos del desoxirribonucleótido entrante. o Actividad exonucleasa. Eliminan nucleótidos cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas, así como fragmentos de ARN cebador. EL MECANISMO DE LA ELONGACIÓN EN PROCARIONES. El mecanismo de elongación es, básicamente, el mismo para las dos hebras de ADN. La ADN polimerasa III recorre las hebras molde en sentido 3’ -> 5’. Sin embargo, como las dos cadenas del ADN son antiparelelas (se orientan en direcciones opuestas una de otra), el desarrollo de la elongación presenta ligeras variaciones según la hebra que se trate. ELONGACIÓN DE LAS HEBRAS CONDUCTORA Y RETARDADA. Sea cual sea la hebra, la ADN polimerasa no puede iniciar de cero la síntesis de una nueva cadena de ADN, necesita un fragmento de unos 10 nucleótidos de ARN – denominado cebador o primer– con un extremo hidroxilo 3’ libre al que añadir los nuevos nucleótidos. Este cebador es sintetizado por una ARN polimerasa llamada primasa, y está formado por una secuencia de nucleótidos complementaria de la cadena en el lugar concreto donde se va a iniciar la replicación. Una vez comienza la síntesis, la propia cadena de ADN sintetizada actúa como cebador. Cuando se forma la burbuja de replicación, la ADN polimerasa solo puede unir nucleótidos en uno de los dos sentidos (dado que las dos hebras son anti-paralelas). La síntesis de una de las nuevas hebras se realiza sin interrupciones en sentido 5’ -> 3’ y se requiere un solo cebador. Esta sintetizada de manera continua es la conductora o líder. El mecanismo de síntesis de la otra hebra, llamada retardada porque su síntesis se retrasa ligeramente en relación con la de la conductora, fue descubierto en 1973 por R. Okazaki. Consiste en una síntesis discontínua de pequeños fragmentos de ADN de unos 1000 o 2000 nucleótidos (fragmentos de Okazaki). Cada uno de los fragmentos requiere, cada ciertos intervalos, un cebador de ARN sintetizado por la primasas. La ADN polimerasa I va eliminando el cebador y 110

rellenándolos huecos con nucleótidos de ADN. Finalmente, la ADN ligasa suelda todos los fragmentos obtenidos. La síntesis de ambas hebras, la retardada y la conductora, se produce de manera simultánea hasta que se termina totalmente la duplicación. Dado que esta duplicación es bidireccional, cada una de las nuevas hebras se sintetiza, en parte, de de manera continua; y, en parte, lo hace de manera discontinua. CORRECCIÓN DE ERRORES. Durante la replicación, es frecuente que se produzcan errores y se incorporen nucleótidos que no tengan correctamente apareadas sus bases. El número de errores que se producen inicialmente es de uno por cada 100 000 bases; sin embargo, durante la propia replicación se corrigen parte de estos errores, de manera que se llegan a reducir hasta uno por cada 10 000 bases. La ADN polimerasa actúa entonces como exonucleasa, que primero elimina los nucleótidos mal apareados y luego rellena el hueco dejado con nuevos nucleótidos; la ADN ligasa es la que uno los fragmentos resultantes. Esta acción es similar a la de arreglar un error mecanográfico pulsando “borrar” y luego tecleando la letra correcta. Aunque el mecanismo de corrección de errores es muy eficiente, a veces queda alguno sin corregir. Esos errores pueden ser importantes en la evolución. LA REPLICACIÓN EN EUCARIONTES. La replicación del ADN en los organismos eucariontes es muy parecida a la de los procariontes, salvo diferencias derivadas, en parte, de la mayor complejidad del material genético de los eucariontes. Las principales diferencias son: •

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Los cromosomas de los eucariontes contienen moléculas de ADN muy largas. Para abreviar el proceso, la replicación se inicia de manera simultánea en varios puntos de cada cromosoma denominados replicones. En la Drosophila melanogaster (mosca de la fruta), el cromosoma más grande contiene unas 6000 horquillas de replicación, y el proceso dura aproximadamente tres minutos. Existen cinco tipos de ADN polimerasas (γ, α, β, ε, σ) en lugar de los tres existentes en procariontes, que se reparten todas las tareas de la elongación y corrección de errores. La γ interviene en la replicación del ADN mitocondrial. En los cromosomas de los organismos eucariontes, el ADN se encuentra asociado a las histonas. Las histonas son proteínas básicas que no tienen los procariontes y que se duplican durante la replicación. Junto con el ADN, forman nucleosomas. Los nuevos nucleosomas se incorporan a la hebra retardada, mientras que los viejos se quedan en la conductora. 111

En el proceso de multiplicación de replicación del ADN se va completando normalmente hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero. Cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada quedará incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco al ser incapaz de sintetizar en dirección 3’-> 5’. Para poder completar esta cadena, la polimerasa necesitaría un extremo hidroxilo 3’ libre donde iniciar un nuevo fragmento. Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide, fenómeno que se asocia a los procesos de envejecimiento y muerte celular. MUERTE CELULAR Existen dos formas de muerte celular: •

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La necrosis, o muerte accidental, se produce cuando la célula sufre un daño grave; como por ejemplo, por falta de oxígeno. Los caracteres morfológicos que acompañan a este tipo de muerte implican un hinchamiento de la célula y una intensa y rápida alteración de la estructura normal de la membrana plasmática y de los orgánulos citoplasmáticos, incluido el núcleo. La apoptosis, o muerte programada, fue descrita en 1972 por Kerr y colaboradores. Se trata de una muerte natural, en el curso de la cual las células se autodestruyen en ejecución de un programa genético.

Desde el punto de vista morfológico, la apoptosis se caracteriza porque se produce una retracción celular, una condensación de la cromatina, su fragmentación en oligonucleosomas (por activación de endonucleasas), y culmina con la formación de protuberancias en la superficie de la célula. La célula se rompe en muchos fragmentos o cuerpos apoptóticos, que son fagocitados por los macrófagos. La muerte celular es indispensable en los procesos de renovación tisular. En algunos casos, la muerte celular viene determinada por la influencia de algunas hormonas; por ejemplo, la somatotropina u hormona del crecimiento.

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EL ADN Y LA INGENIERÍA GENÉTICA. DE LA BIOTECNOLOGÍA A LA INGENIERÍA GENÉTICA. Biotecnología: utilización de organismos vivos o de sus componentes en la obtención de productos útiles para las personas. Actualmente, los antibióticos, las vacunas y muchos otros organismos se obtienen utilizando microorganismos; son, por tanto, procesos biotecnológicos. El paso de la biotecnología tradicional a la biotecnología moderna surge en la década de 1970 con el desarrollo de la tecnología del ADN recombinante, que incluye un conjunto de técnicas que permitieron obtener ADN a partir de secuencias de nucleótidos que, de manera natural, no se encuentran juntos, y que se combinan in vitro para formar una nueva molécula de ADN. Ingeniería genética: conjunto de métodos y técnicas que permiten el acceso y la manipulación del ADN. La ingeniería genética difiere de la biotecnología tradicional en que permite a los científicos manipular genes, pudiendo modificarlos e incluso introducirlos en otro organismo distinto. Transgénicos: organismos que han sido modificados por ingeniería genética. De entre muchas técnicas que se utilizan en ingeniería genética, destacan las siguientes: •

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Obtención de ADN recombinante. Técnica que permite cortar la molécula de ADN de un organismo en múltiples trozos, y aislar alguno de los fragmentos obtenidos para, mediante un vector, introducirlo en otros organismos; por ejemplo, una bacteria que se transformará en un organismo de ADN. Clonación del ADN: producción de múltiples copias de un gen específico o de un fragmento de ADN. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Técnica in vitro que permite obtener de forma muy rápida un elevado número de copias de un fragmento pequeño de ADN. Secuenciación del ADN. Técnica que permite conocer el orden de los nucleótidos que forman parte, no solo de un gen concreto, sino también de los que forman el genoma completo de un organismo.

APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA. Las aplicaciones de la ingeniería genética se extienden a varios ámbitos: •

Medicina. Se utiliza para el diagnóstico de enfermedades, para la producción de medicamentos, en estudios forenses y en terapia genética. 113

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Agricultura. Sirve para conseguir plantas residentes a determinados herbicidas para mejorar el contenido nutritivo de algunos alimentos, o bien se utilizan plantas transgénicas como “fábricas” de medicamentos. Ganadería. Se aplica, fundamentalmente, para la mejora del rendimiento de explotaciones ganaderas, pero también se obtienen animales transgénicos para utilizar sus órganos en losxenotrnsplantes, u obtener –junto a la leche– sustancias de interés farmacéutico. Determinados animales se clonan terapéutica y reproductivamente. El medio ambiente también se beneficia de la ingeniería genética, ya que mediante biorremedicación se puede combatir, por ejemplo, los vertidos de petróleo.

Las nuevas disciplinas surgidas de la ingeniería genética. • • •

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Genómica: rama de la genética que estudia el genoma completo de un organismo, tanto estructural como funcionalmente. Proteómica: estudia, desde el punto de vista estructural y funcional, todas las proteínas codificadas por un genoma concreto. Farmacogenética: persigue la fabricación de medicamentos personalizados mediante el estudio de las bases genéticas, que provocan distintas reacciones a los fármacos. El término deriva de farmacología, estudio del mecanismo de acción de los fármacos en el organismo, y de genética, estudio de la transmisión de los caracteres hereditarios. Epigenégica: estudio de algunos genes en función con el ambiente que ha vivido.

OBTENCIÓN DE FRAGMENTOS DE ADN. El primer paso en todo proceso de ingeniería genética es la obtención del gen o del fragmento de ADN que tiene interés, y por ello e puede hacer mediante la tecnología del ADN recombinante, la formación de un ADN complementario o su obtención sintética. TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE. Todos los avances conseguidos por la ingeniería genética han sido posibles gracias a esta técnica, que permite cortar la molécula de ADN por lugares concretos, para posteriormente unir los fragmentos obtenidos con un ADN procedente de una fuente diferente, o incluso de especie distinta, para obtener una sola molécula de ADN llamada ADN recombinante o transgén. Esta tecnología se desarrolló a partir del descubrimiento de las enzimas de restricción o endonucleasas de restricción. Se utiliza en ingeniería genética y se nombran según el 114

origine del organismos del que se obtienen; así, por ejemplo, EcoRI se extrae de una cepa de Escherichia coli. Son enzimas específicas que reconocen en el ADN una pequeña secuencia de bases determinada (entre cuatro y ocho nucleótidos), que se denomina sitio de estricción, para luego cortar las dos cadenas de nucleótidos dentro de este sitio. El corte es consecuencia de la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster, que unen entre sí los nucleótidos que forman el ADN. La mayoría de los sitios de restricción son simétricos, lo que significa que la secuencia de nucleótidos es la misma en ambas cadenas cuando se leen en dirección 5’->3’. Este tipo de secuencias de nucleótidos, que se leen de la misma manera en las dos hebras, se denomina palindrómicas. Las enzimas de restricción dividen los esqueletos de azúcar-fosfato en ambas cadenas de ADN de dos maneas: unas dejan “extremos lisos”, y otras, las más útiles, lo hacen dejando “extremos escalonados”. En este segundo caso, los fragmentos de restricción resultantes del corte tienen, por lo menos, un extremo monocatenario denominado extremo cohesivo o pegajoso porque puede unirse, mediante puentes de hidrógeno, con una secuencia de bases complementaria. ACCIÓN DE LA ECORI. La enzima EcoRi corta el ADN solo donde se encuentra la combinación de base GAATTC, en las bases G y A. En la hebra complementaria, el corte lo hace en la secuencia de bases CTTAAG entre A y G. Moléculas de ADN de distinto origen, cortadas con la misma enzima de restricción producen fragmentos de restricción cuyos extremos cohesivos están formados por secuencias de bases nitrogenadas que son complementarias; por tanto, pueden unirse por medio de enlaces de hidrógeno. Estas uniones son temporales, pero se pueden hacer permanentes en presencia de la enzima ADN ligasa que cataliza la formación de enlaces que cierran los esqueletos de azúcar-fosfato. La unión de ADN procedente de dos orígenes distintos, catalizada por la ADN ligasa produce una molécula de ADN recombinante. Mediante la tecnología del ADN recombinante, se pueden obtener fragmentos de ADN que lleven incorporados un gen o unos genes de interés; por ejemplo, como el que codifica para la insulina humana. Este ADN recombinante puede incorporarse a las células de otros organismos, en los que podrá expresar la información genética en él contenida.

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FORMACIÓN DE UN ADN COMPLEMENTARIO POR HIBRIDACIÓN. En condiciones fisiológicas normales, la molécula de ADN es muy estable, pero pueden separar las dos hebras que la forman alterando las condiciones de pH por encima de 13, o calentando a temperaturas en torno a 100ºC. Este proceso se conoce como desnaturalización, y se produce porque los enlaces de hidrógeno entre las dos cadenas de polinucleótidos se rompen, las hélices se desenrollan, y las dos hebras simples se arrollan individualmente al azar. La desnaturalización del ADN es un proceso reversible. Se consigue manteniendo las hebras complementarias a una temperatura de unos 65ºC durante un tiempo prolongado, formándose una nueva hélice con totalidad funcionalidad; a este proceso se le denomina renaturalización o hibridación del ADN. De la misma forma que las dos hebras de un ADN se pueden renaturalizar, también se puede conseguir que dos hebras de distinta procedencia lo hagan. Mediante desnaturalización primero, y posterior renaturalización se puede obtener moléculas híbridas a partir de dos hebras de cualquier tipo de ácido nucleíco (ARN o ADN), siempre que entre ambas exista una secuencia complementaria. Cuanto más relacionados están los ADN, mayor porcentaje de renaturalización se producirá. Dentro de una misma especie, por ejemplo, habrá mayor proporción de renaturalización cuando los individuos estén emparentados. Cuando se trata de ADN de distintas especies, habrá mayor hibridación cuanto más relacionadas evolutivamente estén; por ejemplo, el porcentaje de hibridación entre ADN de ratón y de humano es del 25%. Las técnicas de hibridación pueden servir para detectar secuencias complementarias, localizar genes relacionados en distintas poblaciones o diagnosticar enfermedades genéticas que se producen por alteraciones en la secuencia del ADN. SÍNTESIS DE UN ADN C (ADN COMPLEMENTARIO) UTILIZANDO COMO MOLDE EL ARNM. El principal objetivo de la tecnología del ADN recombinante es obtener múltiples copias de un gen de interés o de un fragmento de ADN. Cuando se trata de genes de organismos eucarióticos, la utilización de enzimas de restricción comportaría la obtención de muchos fragmentos de ADN, formados por intrones y exones. La transcripción de estos origina un ARNm que debe ser sometido a un proceso postranscripcional de maduración en el que se eliminan los intrones, y es imposible que tenga lugar en las procariotas. Gracias a la enzima transcripta inversa o retrotranscripta, es posible sintetizar un ADN de cadena sencilla –ADN complementario– utilizando como molde un ARNm maduro. 116

Este ADNc sirve, posteriormente, como molde para la síntesis de otro ADNc, este de doble cadena, que carece de intrones y puede ser traducido por las bacterias. OBTENCIÓN DE ADN COMPLEMENTARIO. 1. Se aísla y purifica un ARNm maduro, y se añade un corto oligonucleótido de timina para que hibride con las adeninas que forman la cola poliA y funcione como cebador de la transcriptasa inversa. El ARNm actúa como molde para la síntesis de un ADNc de cadena sencilla. 2. Cuando se ha sintetizado el ADNc, se añade a la disolución NaOH, que hidroliza el ARNm. Se forma en el ADNc sintetizado un lazo en horquilla que se convierte en cebador para que la ADN polimerasa I sintetice la segunda hebra de ADNc. 3. Se elimina la horquilla con una enzima específica –la nucleasa S1– que sólo actúa en las zonas de cadena sencilla, y se obtiene un ADNc de doble cadena.

CLONACIÓN DEL ADN. La clonación es un proceso extendido en la naturaleza, que consiste en la producción de individuos genéticamente idénticos mediante reproducción asexual. Referido al ADN, la clonación consiste en producir múltiples copias de un gen específico o de un fragmento de ADN, en el interior de un organismo que hace las veces de hospedador. Aunque en la mayoría de los procesos de clonación genética se utilizan organismos procariotas como hospedadores, también es posible hacerlo en eucariotas como la levadura. En cualquier caso, el organismo que se utilice como hospedador debe reunir unas características determinadas que lo hagan adecuado para la clonación: •

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Debe de ser de crecimiento rápido para obtener varias generaciones en poco tiempo; además, se debe desarrollar en un medio de cultivo económico para que el proceso no se encarezca. No debe de ser patógeno para que no produzca infecciones. No debe favorecer la entrada del transgén en su interior, e incorporar a su genoma el ADN de interés. Debe ser un organismo del que se tenga un amplio conocimiento, y, además, fácilmente manipulable como ocurre con la bacteria Escherichia coli.

Para incorporar el gen o fragmento de ADN que se quiere clonar en el hospedador se utilizan vectores de clonación, que son moléculas de ADN capaces de transportar ADN extraño y replicarse dentro de organismo hospedador. Todos los vectores de clonación deben tener características comunes, además de llevar su propio origen de replicación; deben portar unos genes marcadores que sirvan 117

para su rápida y fácil identificación. Estos genes marcadores pueden ser de varios tipos: los que confieren al hospedador una resistencia a determinados antibióticos, los que codifican una proteína fácilmente detectable, o genes de bioluminiscencia. Los vectores más utilizados son: •

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Plásmidos. Son pequeñas moléculas de ADN bicatenario y circular que se localizan en las bacterias. No forman parte del cromosoma bacteriano y tiene capacidad para replicarse independientemente, ya que tienen su propio origen de replicación. Además, muchos plásmidos llevan genes que les confieren resistencia a algunos antibióticos –como a la amplicilina o la tetraciclina–, que confieren al hospedador alguna característica que permite identificar con facilidad el gen que portan. Virus bacteriófago. Son virus que infectan bacterias. Su uso como vectores se debe a que durante la transducción (proceso de transferencia de ADN en el cual los bacteriófagos transportan genes bacterianos de una célula huésped a otra), algunos genes de la bacteria huésped pueden incorporarse al genoma. Cuando el fago infecte otra bacteria, puede transferirse los genes de la primera. Los bacteriófagos más empleados son los bacteriófagos lambda, que son capaces de llevar mayor cantidad de ADN que un plásmido. Cósmidos. Son vectores híbridos entre el fago λ y un plásmido, de modo que su ADN puede replicarse en una célula como un plásmido, o empaquetarse como un fago. Se llaman así porque llevan la porción cos del bacteriófago λ, que incluye los genes necesarios para que el material genético pueda empaquetarse. Además, tienen origen de replicación plasmídico, uno o más genes marcadores que le confieren resistencia a determinados antibióticos y un número de sitios de restricción donde puede insertarse el ADN foráneo que llevan puede ser mayor.

ALMACENAMIENTO DE GENES CLONADOS. Mediante el procedimiento de clonación, se obtienen colecciones de clones que, en su conjunto forman genotecas de ADN que contienen miles de clones que portan el gen de interés, mezclados con otros miles que no lo llevan. En una genoteca genómica completa, los segmentos de ADN extraño abarcan todo el genoma de un individuo. La manera de diferenciar unos clones de otros es utilizar sondas de ácido nucleico. Las genotecas de ADN pueden ser de plásmidos, de fagos y de ADNc. APLICACIONES DE PCR.

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La PCR fue desarrollada por el bioquímico estadounidense Kary Mullis a partir de 1983, y ha tenido un gran impacto en la investigación biológica. El ADN que se amplifica puede proceder de fuentes diversas. •

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Fragmentos de ADN antiguos. Por ejemplo, se ha amplificado ADN de un mamut lanudo congelado, que vivió hace 40 000 años, y de algunos fósiles para compararlos posteriormente con genes semejantes de organismos actuales realizar estudios evolutivos. El ADN también puede proceder de momias de antiguas civilizaciones, y permite estudiar datos referidos, por ejemplo, a posibles enfermedades de tipo genético. ADN obtenido en la escena del crimen. Este ADN se recoge en cantidades muy pequeños de sangre, tejido, pelo o semen. Es una técnica que se aplica actualmente en medicina forense con la finalidad de identificar el autor o autores de un delito, o bien para realizar pruebas de paternidad. ADN de células embrionarias. Permite realizar un diagnóstico prenatal rápido de trastornos genéticos. ADN de genes virales. Se obtiene de células infectadas con virus difícles de detectar como, por ejemplo el VIH.

SECUENCIACIÓN DEL ADN. Uno de los métodos más utilizados para la secuenciación del ADN es el desarrollo en la década de 1970 por Frederick Sanger. Actualmente, se ha perfeccionado y recibe el nombre de Método didesoxi de Sanger o Método de terminación de la cadena para la secuenciación del ADN. Se denomina así porque es necesaria lautilización de los didesoxirribonucleótidos, que son nucleótidos modificados que han perdido el grupo – OH situado en el carbono 3’. Su pérdida implica que la síntesis de ADN se detiene en ese nucleótido concreto, ya que la ADN polimerasa no puede agregar ningún otro, puesto que necesita el grupo OH para formar el enlace fosfodiester que une dos nucleótidos consecutivos. MÉTODO DIDESOXI DE SANGER Para la secuenciación, es necesario el fragmento de ADN que se quiere secuenciar, un cebador o primer –formado por un corto número de nucleótido complementarios a los situados en el extremo 3’ de la cadena de ADN–, una ADN polimerasa, los cuatro desoxirribonucleótidos y los cuatro didesoxirribonucleótidos; estos últimos, marcados con una molécula fluorescente específica para cada uno de ellos. Como paso previo para la secuenciación, se necesita tener una gran cantidad de fragmentos del ADN que se quiere secuenciar; por tanto, hay que clonarlo hasta obtener un número de copias adecuado.

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1. Se desnaturaliza el ADN que se desea secuenciar, y se obtienen cadenas simples que se incuban en un tubo de ensayo con el resto de los materiales. 2. Se mezclan todos los componentes de la reacción, y se forman nuevas cadenas de ADN que utilizan como molde el ADN que se quiere secuenciar. La síntesis comienza en el extremo 3’ del cebador, y continúa con normalidad hasta que, por azar, se inserta uno de los didesoxirribonucleótidos normales, con lo que la síntesis se detiene. Al final, se obtiene una mezcla de cadenas de ADN de longitudes variadas que llevan en su extremo 5’ alguno de los nucleótidos marcados con la molécula fluorescente. 3. Se separan las cadenas marcadas cuando la mezcla atraviesa un gel policrilamina en un tubo capilar, de tal manera que las más cortas son las que se mueven con mayor rapidez. Mediante un detector de fluorescencia se registra el color de cada una de las marcas fluorescentes a medida que las cadenas de ADN van pasando por delante. El color de la marca nos indica que el nucleótido es el que ocupa el extremo de la cadena de ADN. 4. Se obtiene un espectograma con una impresora o con un ordenador, que al leerlo desde abajo hacia arriba nos dará la secuencia de bases complementaria de la cadena molde. Esta forma de secuenciación automática de ADN es útil para secuenciar fragmentos de ADN de hasta 800 pares de bases; es un método muy rápido que permite secuenciar unas 450 bases en el plazo de una hora. Para llegar a secuenciar todo el genoma humano –uno de los objetivos ya conseguidos del Proyecto Genoma Humano– ha sido necesario desarrollar tecnologías de secuenciación más rápidas, combinadas con programas informativos más sofisticados. GENÓMICA Y PROTEÓMICA. El objeto de estudio de la genómica es el conocimiento del genoma completo y de las interacciones que tienen los genes que lo componen. •

Identificación de genes codificadores de proteínas. Hay muchos genes de los que se conoce qué proteína codifican, pero también los hay que codifican proteínas todavía desconocidas. Para identificar estos últimos, se utilizan potentes programas de ordenador que rastrean en la secuencia de nucleótidos las señales de inicio y de detección de la transcripción y la traducción, así como los sitios de corte y empalme del ARN. De esta manera se identifican las secuencias que pueden corresponder a genes “nuevos”, denominados genes dudosos o genes candidatos, y que codifican proteínas desconocidas. Para saber la función de los genes candidatos, se recurre a la comparación de su secuencia de nucleótidos con la que tienen genes conocidos de otros organismos; si la secuencia de nucleótidos es parecida a la de un gen que 120

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codifica para una proteína concreta, se puede pensar que su función es la misma. También se puede conocer su función inhibiendo el gen, y observando las consecuencias fenotípicas en las células o en el organismo. Genes que interactúan entre sí. Uno de los objetivos más importantes de la genómica es comprender la forma en que los genes funcionan de manera conjunta para producir y mantener un organismo en funcionamiento. La explicación al hecho de que la especie humana tenga tan pocos genes, unos 25 000, puede encontrarse en la complejidad de las interacciones entre genes y sus productos. Todas las células de un organismo pluricelular tienen el mismo material genético que, además, no varía durante toda su existencia; sin embargo, la expresión de un gen concreto varía de unas células a otras, de unos estadios de desarrollo a otros, en procesos normales o patológicos y en función de las condiciones ambientales. Para evaluar la expresión de un genoma, se utiliza la técnica del ensayo de micromatrices de ADN (chips de ADN o microarray), técnica que permite conocer mejor ciertas enfermedades y sugerir nuevas técnicas de diagnóstico y terapia. Por ejemplo, la comparación de patrones de expresión genética entre tumores de cáncer de mama y el tejido mamario no canceroso ha logrado establecer protocolos terapéuticos más efectivos. ENSAYO DE MICROMATRICES DE ADN. 1. Se aísla el ARN mensajero. 2. Se sintetiza ADNc, por transcripción inversa, con nucleótidos marcados con colorantes fluorescentes. 3. Aplicación de la mezcla de ADNc a una micromatriz con fragmentos de ADN procedentes del organismo. El ADNc se hibrida con su complementario. 4. Se elimina el ADN por lavado. Cada punto con fluorescencia representa un gen expresado de la muestra de tejido.

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Comparación entre genomas de diferentes especies. La comparación entre las secuencias de los genomas de las distintas especies ha permitido establecer relaciones evolutivas. Cuanto más parecida sea la secuencia, mayor parentesco evolutivo tendrán.

INGENIERÍA GENÉTICA Y MEDICINA. La ingeniería genética tiene variedad de aplicaciones. Se utiliza –especialmente, en el ámbito de la medicina– para la obtención de productos farmacéuticos, la medicina forense, el diagnóstico de enfermedades y la terapia genética entre otros fines.

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OBTENCIÓN DE PRODUCTOS FARMACÉUTICOS. Muchas enfermedades están provocadas por la carencia de una proteína. La insulina, el interferón, la hormona del crecimiento o factor VII de la coagulación son proteínas que se producirían en cantidades muy pequeñas mediante procesos muy costosos y que, en la actualidad, se fabrican mediante la ingeniería genética. MEDICINA FORENSE. Los seres humanos somos en un 99,9% genéticamente idénticos, por tanto, diferimos solo un 0,1% lo que supone que en cada uno de nosotros existen unos tres millones de nucleótidos ordenados de manera diferente. Estas “pequeñas” diferencias no están distribuidas al azar, sino que se encuentran en regiones cromosómicas concretas y es posible utilizarlas como marcadores genéticos. La identificación de estas regiones permite utilizar estas diferencias como una huella genética individual, que se usa en medicina forense para la identificación de restos humanos y en pruebas de paternidad. MÉTODO DE SOUTHERN BLOT. 1. Si la muestra de ADN es pequeña, se amplifica mediante PCR. Se corta con enzimas de restricción, y se somete a una electroforesis en gel para que los fragmentos resultantes de la restricción se separen. Se obtienen así un patrón de bandas característico, que todavía no es visible. 2. Al patrón de bandas se le aplica una solución alcalina que desnaturaliza el ADN, y transfiere los fragmentos de restricción a una lámina de papel nitrocelulosa que se denomina blot. 3. El blot se introduce en una bolsa de plástico sellada, donde se le expone a la acción de sondas radiactivas de ADN específicas para detectar distintos marcadores genéticos. La sonda se hibrida con aquellos fragmentos de restricción que lleven los marcadores, y luego se aplica sobre el blot una película fotográfica en la que la radiactividad de las sondas de ADN dejará una imagen que refleja las bandas formadas por el ADN apareado con la sonda.

DIAGNÓSTICO DE ENFERMEDADES. La tecnología de ADN recombinante está permitido detectar en una persona o en el feto los genes responsables de enfermedades genéticas como la anemia falciforme, la hemofilia, la fibrosis quística, la enfermedad de Huntington o la distrofia muscular de Duchenne; también puede detectar la presencia de muestras de sangre o de tejido de determinados virus, como por ejemplo, el que provoca el sida.

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TERAPIA GENÉTICA. Según el profesor Juan Ramón Lacadena, se define como una técnica terapéutica mediante la cual se inserta un gen funcional en las células de un paciente humano para corregir un defecto genético o para dotar a las células de una nueva función. Actualmente se utiliza no solo para curar enfermedades hereditarias, sino también para las adquiridas; en cualquiera de los dos casos, la enfermedad tiene que estar provocada por un gen recesivo, quedando descartadas aquellas determinadas por muchos genes, o bien las producidas por alteraciones cromosómicas. La terapia genética se puede llevar a cabo en células somáticas y en células germinales (espermatozoides, óvulos o las células que los originan). Las alteraciones genéticas introducidas en las células somáticas no se transfieren a la descendencia, pero sí lo hacen en el caso de células de la línea germinal; por ello, la aplicación de la terapia genética en estos casos conlleva problemas éticos complejos, relacionados con las posibilidades de modificar el acervo (conjunto de genes) genético de la especie humana, e incluso de derivar en prácticas de eugenesia al seleccionar artificialmente determinados genes que confieren especiales características a las personas portadoras. Por estos motivos, la terapia genética germinal es una práctica prohibida o en moratoria legal en la mayoría de los países. La terapia génica en células somáticas puede realizarse de varias formas: • •

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Ex vivo. Se extraen las células del paciente, se corrige el defecto genético en el laboratorio, y después se reintegran al interior del organismo. In vivo. La transferencia de los genes terapéuticos se realiza directamente al paciente mediante un vector; por ejemplo, mediante una inyección intravenosa, para que así lleguen hasta las células o el tejido implicado en la terapia. In situ. Se realiza directamente en las células del paciente, introduciendo los genes funcionales en el órgano afectado. Se emplea en aquellos casos en los que las células son difíciles de extraer y de implantar nuevamente.

Hay muchas enfermedades susceptibles de ser tratadas mediante terapia genética, pero las más fáciles son las que se manifiestan en un tejido cuyas células extraídas, cultivadas con facilidad in vitro, resistentes a la manipulación y reintroducidas son dificultades en el organismo. Además, sería deseable que fuesen células de larga vida, a ser posible que permaneciesen durante toda la vida del paciente. Las células que más se aproximan a estas condiciones son, sobre todo, las de la médula ósea, la piel y el hígado. La terapia genética se utilizó por primera vez en 1990 con los llamados niños burbujas, que son niños afectados de una enfermedad grave: el síndrome de la 123

inmunodeficiencia combinada severa (SCID). Esta enfermedad se debe a la deficiencia de una enzima, la adenosín, desaminasa (ADA), implicada en el metabolismo de las purinas en las células de la médula ósea. A partir de entonces se han abierto muchas expectativas, pero la realidad es que su aplicación, actualmente, es limitada, y los resultados obtenidos, más bien modestos.

INGENIERÍA GENÉTICA, AGRICULTURA Y MEDIO AMBIENTE. Dado que las plantas han tenido una gran importancia –puesto que son la base de la alimentación humana–, la humanidad, desde siempre, ha tratado de mejorar el rendimiento de los cultivos de distintas maneras; por ejemplo, seleccionando para la reproducción aquellas plantas más útiles o las que mejor se adaptan a unas determinadas condiciones climáticas. La técnica del ADN recombinante ha aportado una nueva dimensión a este esfuerzo de mejorar, que ya no se limita a la simple selección de las mejoras de las plantas, sino que ya es posible introducir en una planta ADN de otra especie distinta, incluso procedente de animales o de bacterias, y conseguir con ello plantas transgénicas con diferentes características: •

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Resistencia a los herbicidas. El 10% de la cosecha se pierde debido a las “malas hierbas”. Este porcentaje se puede reducir utilizando plantas transgénicas resistentes a los herbicidas con lo que se eliminan las malas hierbas. El glifosfato es un herbicida no selectivo que mata a las plantas, porque inhibe una enzima implicada en el metabolismo de los aminoácidos. De cepas de E.coli resistentes al glifosfato se obtuvo el gen de esta enzima, se clonó y se introdujo en las plantas que incrementaron la concentración de la enzima; por tanto, sólo sufrían daños con concentraciones mayores de herbicida. Mejora del producto. Se puede mejorar el valor nutritivo de algunas plantas utilizadas en la alimentación humana. Este es el caso de un arroz transgénico que produce granos de arroz amarillo por llevar beta-caroteno, que nuestro organismo utiliza para sintetizar la vitamina A. El uso de este arroz, dorado podría ayudar a muchas poblaciones, que se alimentan básicamente de arroz, a paliar el déficit de vitamina A. Plantas farmacéuticas. La industria farmacéutica comienza a usar plantas transgénicas para producir sustancias como proteínas humanas para uso médico, proteínas virales como vacunas o anticuerpo (planticuerpos). La ventaja frente al cultivo de microorganismos es doble: por una parte, es un procedimiento más económico; por otra parte, las plantas poseen los sistemas adecuados para llevar a cabo las modificaciones postraducciónales que sufren

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las proteínas, modificaciones que no pueden realizar los organismos procarióticos.

OBTENCIÓN DE PLANTAS TRANSGÉNICAS El vector de clonación que más se utiliza para la obtención de plantas transgénicas es el plásmido Ti, proveniente de una bacteria del suelo, la Agrobacterium tumefaciens. Este plásmido lleva un segmento llamado T-ADN, que es el que se integra en el genoma de las células huésped. El plásmido y el gen foráneo se cortan con una enzima de restricción que corta el plásmido por el segmento T-ADN. Se forman plásmidos recombinantes, algunos de los cuales llevarán el gen de interés, y se introducen en células vegetales que podrán dar origen a plantas transgénicas.

APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA EN EL MEDIO AMBIENTE. Microorganismos modificados genéticamente están siendo utilizados para limpiar el medio ambiente de ciertos contaminantes, ya que tienen la capacidad de transformarlos en sustancias no contaminantes o de absorberlos. Su acción se realiza de dos formas: •

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Biorremedicación. Existen bacterias que, de forma natural, son capaces de degradar la materia orgánica. Mediante ingeniería genética, se pueden modificar para que sean capaces de hacerlo con un mejor rendimiento y en condiciones ambientales diversas; estas bacterias transgénicas se pueden utilizar, para la limpieza de vertidos de hidrocarburos. Bioadsorción. Bacterias genéticamente modificadas son capaces de adsorber ciertos metales pesados que contaminan el suelo.

INGENIERÍA GENÉTICA Y GANADERÍA. La ingeniería genética aplicada persigue casi los mismos fines que la crianza tradicional: crear ovejas que den más lana o de mejor calidad, obtener animales que se desarrollen más rápidamente, que de carne más magra o sean resistente a las bajas temperaturas. Estos y otros objetivos de interés médico, como la producción de medicamento y de vacunas, o el estudio de enfermedades humanas se pueden conseguir con animales transgénicos, entendiendo por tales aquellos que portan en su dotación genética un gen extraño. Hay ya numerosas sustancias de interés terapéutico obtenidas de animales transgénicos –en la mayoría de los casos son mamíferos–, en los que se ha conseguido 125

que el gen de interés se exprese junto a otro que promueve la síntesis de una proteína de la leche. De esta manera, el producto solo se forma en las glándulas mamarias y se secreta a través de la leche, de donde se extrae y purifica. Entre las proteínas así obtenidas, están la α 1-antitripsina, utilizada para el tratamiento del enfisema hereditario; el activador tisular del plasminógeno, principio activo que disuelve los trombos sanguíneos producidos en los infartos de miocardio; o el factor VII de la coagulación, que no se obtiene de la leche de los mamíferos, sino de células ováricas del hámster chino, que se utiliza para combatir la hemofilia. OBTENCIÓN DE UN ANIMAL TRANSGÉNICO PORTADOR DE UN GEN DE INTERÉS. 1. Se obtienen óvulos de una hembra, y se fertilizan in vitro. 2. Se clona el gen de interés foráneo, y luego se inyecta el ADN clonado directamente en el núcleo de los óvulos fertilizados. Algunos de estos óvulos integran el transgén en su genoma, y son capaces de expresarlo. 3. Se implantan los embriones manipulados genéticamente en el útero de una madre sustituta que parirá animales transgénicos que llevan en su dotación genéticamente un gen foráneo, incluso de una especie distinta. 4. Se obtiene leche de estos descendientes que contiene la proteína de interés. 5. Se fraccionan y purifican las proteínas de la leche, obteniéndose entre ellas la proteína de interés. CLONACIÓN TERAPÉUTICA Y REPRODUCTIVA EN ANIMALES. La clonación es un proceso por el que se producen organismos genéticamente idénticos entre sí, e idénticos al organismo original del que se producen; es un hecho frecuente en la naturaleza, ya que los organismos con reproducción asexual originan copias exactas de sí mismos. En animales, la clonación terapéutica consiste en la creación de embriones por clonación, para utilizarlos como materia prima en distintas terapias, mientras que la clonación reproductiva persigue conseguir animales genéticamente iguales a otro, a partir de una célula adulta. La clonación reproductiva mediante transferencia nuclear es el método más utilizado. CLONACIÓN DE ANIMALES POR TRANSFERENCIA NUCLEAR. 1. 2. 3. 4. 5.

Se obtiene una célula somática del individuo que se quiere clonar. Se extrae un óvulo de una hembra donante, y se elimina el núcleo. Se reemplaza este núcleo por el de la célula somática. Se desarrolla la “célula creada” hasta formar un embrión Se implanta en el útero de una hembra de la misma especie, donde culmina su desarrollo. 126

PROYECTO GENOMA HUMANO. En la década de 1980, y gracias a los avances de la ingeniería genética, científicos de todo el mundo decidieron secuenciar el genoma humano; se trataba de uno de los mayores proyectos de investigación emprendidos hasta entonces; pero frente a sus defensores, había grupos de científicos que opinaban que se trataba de una tarea arriesgada y emocionante, pero no viable, que necesitaría mucho trabajo y cantidades enormes de dinero. Tras años de controversias sobre la viabilidad del proyecto, en 988, el congreso de los Estados Unidos autorizó el dinero para su financiación, y puso al frente del mismo a James D. Watson, codescubridor de la doble hélice de ADN. En 1990 se creó un consorcio público con la colaboración de distintos países, como el Reino Unido, Francia, Alemania, Chica y Japón, con el fin de desarrollarlo: había nacido el Proyecto Genoma Humano. OBJETIVOS DEL PROYECTO GENOMA HUMANO. El principal objetivo del PGH era secuenciar el genoma humnao para, de esta manera, poder elaborar mapas que permitieran saber cuántos genes son los codificadores de proteínas. 1. Situar genes y marcadores moleculares en mapas genéticos de alta resolución de cada cromosoma. Este tipo de mapas permite el ordenamiento reativo de genes u otro tipo de secuencia identificable en el ADN. 2. Caracterizar y localizar físicamente –unos con respecto de otros– fragmentos de ADN clonados, para crear así mapas físicos de cada cromosoma, que se elaboran cortando el ADN en fragmentos de restricción para luego terminar su orden en el ADN cromosómico. Cada fragmento largo se corta en otros más pequeños, y se ordenan de manera sucesiva. 3. Secuenciar los pequeños fragmentos en los que se ha cortado el ADN para luego ensamblarlos y obtener la secuencia completa para así generar un mapa completo de secuencias de cada cromosoma. De manera simultánea, el PGH contemplaba la secuenciación de los genomas de otros organismos más sencillo como el de la bacteria Escherichia coli, el de la levadura Saccharomyces cerevisae, el del gusano Carnorhabditis elegans y el del ratón Mus musculus. Al poco tiempo de iniciarse el proyecto, uno de los fundadores, Craig Vetner, soliciró la patente de uno de los genes que habían secuenciado; esto provocó problemas, que condujeron al cambio en la dirección del proyecto, a la salida de Venter del consorcio público y a la fundación de una compañía privada –Celera Genomics– que, 1999, inició 127

la secuenciación del genoma humana utilizando un método diferente con ayuda de patentes ordenadores. El 26 de junio de 2000, Craig Venter y Franceis Collins dieron a conocer las dos versiones del borrador del genoma humano, que en febrero de 2001 fueron publicadas por dos prestigiosas revistas científicas. EL 14 de abril de 2003, coincidiendo con la celebración del 50 aniversario del descubrimiento de la estructura del ADN, se anuncia que el ambicioso Proyecto Genoma Humano ha concluido, y que la secuencia del genoma humano ha sido descifrada completamente. CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL GENOMA HUMANO. El ser humano de 20 000 a 25 000 genes codificadores de proteínas, cantidad mucho menor de la esperada, del orden de 100 000 o más. Más del 44% de los genes no tienen función conocida. Los seres humanos son idénticos en un 99,9% y nos diferenciamos en apenas unos 3 millones de nucleótidos de los más 3000 millones que componen el genoma. La mayor parte de estas diferencias se encuentran localizadas en los llamados polimorfismos de un único nucleótido que son variaciones que afectan a un solo par de bases nitrogenadas; se calcula que existen unas 500 000 unidades SNP. El ADN no codificante, que es la mayor parte del genoma, se le denomina ADN basura porque se creyó que no tenía función alguna; estudios recientes creen que regula la expresión diferencial de los genes. En septiembre de 2008, investigadores de la Universidad de Yale afirmaron haber descubierto una secuencia de ADN basura, responsable de que los humanos hayan desarrollado la capacidad de agarrar o manipular objetos o herramientas. BIOÉTICA. “A un paso de la vida artificial. El genoma sintético de una bacteria abre la vía a la creación de organismos a la carta.” Este es el titular de un periódico del 24 de febrero de 2008. Craig Venter había logrado crear, a partir de compuestos químicos, el mayor genoma artificial completo de un ser vivo, el de una bacteria, con 582 000 pares de bases de 485 genes es un cromosoma; la bacteria con vida independiente con el genoma más simple. ¿Supone este descubrimiento la puerta a la creación de vida artificial a partir de elementos inertes? Si esta pregunta se hubiese realizado hace apenas 40 años, la respuesta sin duda hubiese sido no, pero en la actualidad y con el avance imparable de la ingeniería genética, la respuesta no es tan sencilla.

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Las ventajas de la ingeniería genética y de las nuevas tecnologías asociadas son muchas, pero los potenciales riesgos también lo son. Por ello, surgen asociados al desarrollo de estas tecnologías dilemas de carácter ético y moral, dudas y preguntas que no pueden dejar de tenerse en cuenta y tienen que ver con riesgos de diverso tipo: •

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Ecológicos. ¿Qué pasaría si los organismos transgénicos se cruzan con especies silvestres o cultivadas? La creación de plantas transgénicas resistentes a los herbicidas puede hacer que su uso incremente notablemente, y, con ello, los posibles efectos secundarios, como la contaminación del agua o la del suelo. Sanitarios. ¿Qué efectos puede tener sobre la salud humana el consumo de alimentos que lleven un gen foráneo? Por ejemplo, ya se conocen casos de alergias provocadas por soja transgénica manipulada con genes de la nuez de Brasil, o de fresas resistentes a las heladas por llevar un gen de un pez, concretamente, uno que vive en aguas del océano Ártico. En este segundo supuesto, las personas alérgicas al pescado podrían sufrir una crisis alérgica al ingerir fresas transgénicas. ¿Existen controles suficientes para evitar que el ADN transgénico sea perjudicial para la salud? Sociales, éticos y legales. Si los potenciales risgos los referimos al mapo social, ético o legal, las preguntas y las dudasincrementan notablemente. ¿Es lícito que las empresas pidan a sus trabajadores un perfil genético?¿Que pasaría son aquellas personas a las que en su juventud se les dijese que pueden llegar a padecer alguna enfermedad incurable?¿Se deberían admitir las prácticas de uegenesia? Aunque es legal, ¿es lícito que lo genes se puedan patentar? Estas y otras muchas preguntas no tienen una respuesta única.

En 1970 nace una nueva disciplina, la Bioética, que se define como la aplicación de la ética a las ciencias de la vida. El evidente avance de las ciencias, la tecnología, la medicina, etc., durante el siglo XX hace necesaria una profunda reflexión sobre los límites de la aplicación de los descubrimientos y su puesta en práctica en aspectos nucleares de la vida humana y de la gestión de la naturaleza. Organismos nacionales tratan de congeniar los avances tecnológicos con la dignidad humana, a través de normas que regulen estos procesos tan complejos. Así, la UNESCO aprobó el 11 de noviembre de 1997 la Declaración Universal de Genoma Humano, que trata cuestiones éticas relacionadas con la ciencia de la vida y las metodologías aplicadas a los seres humanos, y tiene como objetivo considerar las dimensiones sociales, jurídicas y ambientales que están teniendo la aplicación de la ingeniería genética. En España, está vigente desde 2007 la Ley de Investigación Biomédica que regula aspectos de la investigación biomédica, para salvaguardar, con ello, la dignidad y el respeto de las personas, así como para controlar las investigaciones científicas.

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ASPECTOS MÁS DESTACADOS DE LA LEY DE INVESTIGACIÓN. •

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Tiene como objetivo prioritario asegurar la protección y el respeto de los derechos fundamentales y las libertades del ser humano. Se establece el derecho de las personas a otorgar consentimiento y a obtener información previa. Fijar el deber de la confidencialidad de las personas que accedan a la información personal, y se establece el principio de gratuidad de las donaciones de material biológico. Crea diversos órganos colegiados, como los Comités de Ética de la Investigación, la Comisión de Garantías para la Donación y Utilización de Células y Tejidos Humanos, y el Comité de Bioética de España. Estos comités estarán formados por personas imparciales, independientes, profesionales y con capacidad técnica, con funciones de autorización y supervisión. Prohíbe explícitamente la creación de embriones y preembriones humanos exclusivamente con fines de experimentación, pero sí permite la utilización de técnicas que lleven a la obtención de células madres que no comporten la creación de un preembrión o de un embrión. Permite la clonación con fines terapéuticos, pero prohíbe expresamente la clonación humana reproductiva; regula, además, la donación y el uso de embriones y fetos humanos, de sus células, tejidos u órganos. Se crean los biobancos, como el Banco Nacional de Líneas Celulares. Se regula la realización de análisis genéticos, el acceso y uso de los resultados, así como la obtención de muestras de origen humano.

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GENÉTICA Y EVOLUCIÓN. EL FENÓMENO DE LA MUTACIÓN Una de las características del ADN como material hereditario es la gran fidelidad con la que se transmite de generación en generación; sin embargo, en ocasiones puede sufrir cambios que pueden transmitirse a la descendencia. Estos cambios reciben el nombre de mutaciones. lL primero en introducir el término “mutación” fue Hugo de Vries, botánico holandés re-descubridor de las leyes de Mendel. Con este término designó ciertos cambios inesperados que observaba en la descendencia de un cruzamiento de Oenothera lamarckiana. En la actualidad, el término mutación se emplea para designar los cambios que se producen en la secuencia o en el número de nucleótidos del ADN de una célula. Puesto que los cambios en el material genético se traducen en cambios en las proteínas, las mutaciones pueden afectar a las posibilidades de supervivencia del organismo. Las hay que son perjudiciales para el organismo, llegando a causar la muerte del mismo; otras son beneficiosas, pues aumentan la probabilidad de supervivencia del organismo; también pueden ser neutras si no producen beneficios, pero tampoco perjuicios significativos. Para muchos genes existen alelos, es decir, diferentes alternativas para un mismo carácter, surgidos por mutación de un gen original. Puesto que un organismo tiene un gran número de genes, pudiendo tener cada uno de ellos algún alelo, es prácticamente imposible que dos individuos tengan exactamente la misma constitución genética. Así pues, todos los miembros de una especie son diferentes. Las circunstancias del medio pueden favorecer más a unos alelos que a otros. Sin embargo, el medio ambiente es uniforme, y puede cambiar en el tiempo. En este caso, los alelos favorecidos pueden ser otros que anteriormente eran neutros o incluso favorables. TIPOS DE MUTACIONES. Además de por su efecto en el organismo, las mutaciones se pueden clasificar atendiendo al tipo de células afectadas en: •

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Germinales. Son las que afectan a los gametos o bien a las células madre que darán origen a los gametos, es decir, a las células de la línea germinal. Estas mutaciones se transmitirán a la descendencia, y sobre ellas actuará la selección natural. Somáticas. Aquellas que sufren las células somáticas y, por tanto, las que procedan de ellas por mitosis. Afectan al individuo, pudiendo causar en algunas 131

ocasiones enfermedades graves, pero no son heredables, por lo que no representan un papel importante en la evolución. Si el criterio de clasificación es la extensión del material genético afectado, las mutaciones pueden ser: • • •

Génicas. Son las mutaciones en sentido más estricto. Provocan cambios en la secuencia de nucleótidos de un determinado gen. Cromosómicas. Afectan a la disposición de los genes de un cromosoma, pero no a la secuencia de nucleótidos del gen. Genómicas. Son aquellas que alterna, aumentando o disminuyendo, el número de cromosomas característicos de la especie.

EL ORIGEN DE LAS MUTACIONES Gran parte de las mutaciones se producen de manera espontánea, es decir, por causas naturales, como errores que pueden ocurrir en la replicación o en la meiosis, o por cambios químicos espontáneos en el ADN. La tasa de mutación espontánea, en general, es más baja en las bacterias y en otros microorganismos más complejos. En la especie humana y en otros organismos pluricelulares se calcula que ocurre una mutación en uno de cada cien mil a un millón de gametos, aunque existe una variación considerable de un gen a otro. Otras mutaciones son causadas por la presencia en el medio de agentes físicos o químicos que pueden afectar a la estructura del ADN. Estas mutaciones inducidas, y los agentes que las desencadenan son agentes mutagénicos. MUTACIONES GÉNICAS. Las mutaciones génicas son las que alteran la secuencia de nucleótidos de un solo gen, por lo que se denominan puntuales. Se pueden distinguir dos tipos de mutaciones génicas: las sustituciones de bases y las mutaciones de la pauta de lectura. SUSTITUCIONES DE BASES. Suponen alrededor del 20% de las mutaciones génicas. Consisten en el cambio de una base del ADN por otra. Pueden ser: • •

Transiciones. Si se sustituye una base púrica por otra púrica, o bien una pirimidínica por otra pirimidínica. Transversiones. Si la sustitución es de una base púrica por otra pirimidínica, o viceversa.

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Cualquiera de estas mutaciones afecta a uno solo de los nucleótidos, y, por tanto, solo un triplete de bases es el que se ve afectado. Como el código genético es degenerado, el triplete puede sustituirse por otro que codifique al mismo aminoácido, de modo que la mutación no afectaría al individuo y sería entonces una mutación silenciosa. Puede que el nuevo triplete codifique otro aminoácido diferente. En este caso, salvo que sea uno de los aminoácidos que conforman el centro activo de una proteína, no tienen graves consecuencias. Si la mutación ocurre en el codón de terminación, se producirá una proteína más larga, hasta que aparezca un nuevo codón de terminación. Si la mutación crea un codón de terminación antes del lugar apropiado, se formará una proteína más corta. Lo general es que las proteínas así formadas no sean funcionales, pero en algún caso se pude producir una proteína que mejore a la original, y entonces el portador tendrá una ventaja que podrá transmitir a sus descendientes.

*Mutación silenciosa: Cuando el nuevo codón codifica para el mismo aminoácido. En eucariontes, cuando la mutación afecta a los intrones.

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MUTACIONES POR CORRIMIENTO DE LA PAUTA DE LECTURA. Se denominan inserciones y deleciones si consiguen en la adición o en la pérdida de algún nucleótido en la molécula de ADN, respectivamente. A partir del punto en el que ocurre la inserción o deleción, varían todos los tripletes de base; por ello, se dice que las mutaciones provocan un corrimiento de la pauta de lectura. Cuando se traduce, se produce una proteína completamente diferente.

MUTACIONES CROMOSÓMICAS Son las mutaciones que provocan cambios en la estructura de los cromosomas. Pueden afectar al orden de los genes en los cromosomas o a su número, a veces, un gen o un grupo de genes puede estar repetido o faltar. La mayoría de los seres pluricelulares son diploides, por lo que normalmente, aunque uno de los cromosomas tenga una mutación, tendrán otro normal. Así, cuando estos cromosomas –homólogos

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pero no idénticos- se aparean en la meiosis, las tétradas adoptan morfologías características que permiten detectar la mutación.

CONSECUENCIAS DE LAS MUTACIONES CROMOSÓMICAS. Normalmente, las translocaciones e inversiones afectan poco al portador, ya que no varía el número de genes. Pueden provocar alteraciones cuando un gen se separa de las regiones que controlan su expresión o se acerca a otras regiones reguladoras que no le corresponden. Las deleciones y duplicaciones, en cambio, aunque afecten solo a un cromosoma de la pareja de homólogos, pueden tener consecuencias graves. No basta con poseer todos los genes propios de la especie, sino que han de estar en el número adecuado para que no se produzcan desequilibrios en su expresión. Las mutaciones cromosómicas, además pueden dificultar el proceso de la meiosis en el portador, ya que se entorpece el a emparejamiento correcto de cromosomas homólogos. En el caso de ocurrir la meiosis, por lo que produciría una descendencia inviable o con mutaciones. Un ejemplo de este tipo de mutaciones se da en algunos casos de síndrome de Down, Aunque este síndrome se debe a una trisomía, existe un porcentaje pequeño de casos raros en los que se da el síndrome de Down familiar, y que se debe a que un progenitor tenía una traslocación de un fragmento e un cromosoma 21. En la meiosis, una normal y otra translocada, en su mayoría, al cromosoma 14. Cuando el gameto fecundado, el cigoto resultante tendrá 46 cromosomas, pero con tres copias de cromosoma 21, lo que dará lugar a individuos con síndrome de Down,

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MUTACIONES GENÓMICAS. Son variaciones en el número normal de cromosomas de una especie. Generalmente, se producen por una segregación anómala de los cromosomas o de las cromátidas durante la meiosis. EUPLOIDÍAS. Son alteraciones en el número normal de dotaciones cromosómicas. Existen dos tipos: •

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Monoploidía o haploidía. Existe un solo cromosoma de cada par. La monoploidía es un estado normal en los hongos, en la fase gametofítica de las plantas inferiores y en los animales machos de las especies con determinación sexual por haplo-diploidia. En estos organismos no cabe hablar de mutación. Sin embargo, el que en organismos diploides se den individuos con Monoploidía es muy raro en la naturaleza, aunque se ha constatado en algunas especies vegetales. Poliploidía. Son poliploides los organismos que contienen más de un juego completo de cromosomas, pudiendo ser triploides, tetraploides y, en general, poliploides. La polipoidía es más frecuente en vegetales que en animales. En los vegetales, los poliploides suelen tener mayor tamaño; este hecho tiene interés desde el punto de vista de la alimentación, por lo que se provoca artificialmente con sustancias químicas como la colchicina, que desorganiza los microtúbulos del huso acromático impidiendo la migración de los cromosomas a polos opuestos en la meiosis I. Así se obtienen gametos con 2n cromosomas, que si se fecundan entre sí dan a individuos tetraploides. Un caso especial de la poliploidía es la aloploidía, en la que una especie incorpora un juego de cromosomas que pertenece a otra especie. Se produce en los vegetales por hibridación entre especies diferentes. A veces, las plantas poliploides no son estériles y se pueden reproducir. De hecho, existen pruebas de la existencia de algunas especies vegetales que han surgido por fenómenos de poliploidía.

ANEUPLOIDÍAS. Se caracterizan porque los individuos presentan algún cromosoma de más o de menos respecto a su dotación normal. Los tipos más frecuentes son: •

Trisomías. Los portadores poseen un cromosoma de más; su dotación es de 2n + 1. Afectan tanto a los autosomas como a los cromosomas sexuales, siendo más frecuentes en estos últimos. En ambos casos provocan desequilibrios genéticos, menos graves cuando afectan a los cromosomas sexuales. 136

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Monosomías. Los individuos carecen de un cromosoma de una pareja de homólogos. Su dotación cromosómica, por tanto, es de 2n – 1. La carencia de un autosoma es letal.

AGENTES MUTAGÉNICOS. Los agentes mutagénicos son aquellos agentes físicos o químicos que aumentan la tasa de mutación espontánea de una especie. Todos ellos actúan dañando o alterando la estructura del ADN. MUTÁGENOS FÍSICOS. Entre los más activos, destacan: •

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Radiaciones ionizantes. Son radiaciones electromagnéticas de longitud de onda muy corta y, por ello, con un alto poder energético. Entre ellas se encuentran los rayos X, los rayos γ y las emisiones de partículas de tipo α y ß liberadas en las explosiones nucleares. Pueden causar la rotura de los cromosomas, promoviendo así mutaciones cromosómicas y también modificar las bases nitrogenadas, lo que da lugar a mutaciones puntuales. Radiaciones no ionizantes. Destacan como importantes mutágenos los rayos ultravioleta. Provocan la formación de un enlace covalente entre dos bases pirimidínicas contiguas, dando origen a dímeros de citosina o dímeros de timina, y con ello, la aparición de formas tautoméricas que darán lugar a mutaciones génicas del tipo transiciones. 137

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Temperatura. Sólo por estar a 37ºC las células, ocurren despurinización (pérdida de bases púricas). Perdemos 5 000 bases púricas al día. Hay desaminaciones (100 por célula al día) en las que se transforma la citosina en uracilo y la adenina en hipoxantina.

MUTÁGENOS QUÍMICOS Los mutágenos químicos son compuestos o elementos químicos entre los que, por su actuación, destacan: •

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Ácido nitroso. Produce la desaminación de las bases nitrogenadas y así, por ejemplo, transforma la citosina en uracilo y la adenina en hipoxantina. Cuando el ADN se replica, se incorporan bases incorrectas, pues el uracilo se aparea con la adenina y la hipoxantina con la citosina. Así, esta sustancia causa una transición de bases. Agentes alquilantes. Sustancias análogas a las bases nitrogenadas. Pueden sustituir a las bases nitrogenadas del ADFN y provocar transiciones. Así, por ejemplo, el 5bromouracilo puede incorporarse en lugar de la timina, y la 2-aminopurina lo hace en lugar de la adenina. Con ello, provocan errores en la replicación. Sustancias intercalantes. Dos colorantes, la proflavina y el naranja de acridina, se pueden intercalar entre bases nitrogenadas de una cadena de ADN, dando origen a inserciones o deleciones de un solo par de base. Otra sustancia, el benzopireno, que se encuentra en el humo del tabaco y en los alquitranes, es un potente cancerígeno que provoca mutaciones al intercalarse entre las dos cadenas del ADN y unirlas covalentemente. Radicales libres de oxígeno: que se obtienen en el proceso de respiración celular. También la encontramos en el tabaco, en los pesticidas… En el interior de la célula atacan al ADN. Son causantes del envejecimiento del colágeno de la piel. Puede producir el crecimiento anormal de las células creando un tumor.

MUTACIÓN Y CÁNCER. Existe un control sobre la proliferación celular, que evita que las células aumenten su número peligrosamente. Hay ocasiones en las que se dividen sin ningún control hasta constituir un tumor o neoplasia, que es benigno si las células tienden a crecer lentamente y se mantienen juntas. Sin embargo, cuando lo hacen de manera rápida e invaden órganos próximos, se dice que el tumor es maligno y que la persona padece un cáncer. Bajo el término cáncer se agrupan más de un centenar de enfermedades que afectan a diversos tejidos, con características y desarrollos deferentes, pero cuyas células, denominadas tumorales o cancerosas, tienen en común. •

El crecimiento de manera desordenada y descontrolada. 138

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La capacidad de migrar a través del sistema circulatorio sanguíneo o linfático e invadir otros órganos y tejidos, con lo que el tumor se puede extender por todo el organismo. Esta migración de las células cancerosas se conoce con el nombre de metástasis.

CARACTERÍSTICAS DE LAS CÉLULAS CANCEROSAS. Se originan a partir de una única célula que se ha transformado en cancerosa, y, por tanto, todas las que de la deriven serán también cancerosas y tendrán características comunes: • • • •

Proliferan continuamente y fuera de control existente para las células normales. Pierden características fenotípicas, lo que se traducen, por ejemplo, en cambios de forma. Pierden la inhibición por contacto, creciendo unas sobre otras en varias capas. Provocan tumores cuando se inyectan en animales de experimentación.

Para que una célula se transforme en cancerosa y se origine un cáncer es necesaria una acumulación de mutaciones en aquellos genes implicados en los procesos de proliferación. TIPOS DE GENES ASOCIADOS CON EL CÁNCER. El conocimiento de los genes cuyas mutaciones dan origen al cáncer ha sido posible gracias al estudio de los mecanismos que controlan los procesos de proliferación celular de las células normales. Estos genes se clasifican en dos grandes grupos: •

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Protooncogenes. Son genes normales presentes en todas las células. Codifican proteínas, como cíclicas, factores de crecimiento, receptores, etc., que estimulan el crecimiento y la división celular normal. Cundo se convierten en oncogenes, es decir, en genes causantes de cáncer, su actividad provoca la multiplicación anárquica de la célula, ya que se produce mayor cantidad del producto proteico del prooncogén o de la actividad intrínseca de cada molécula proteica. Genes supresores de tumores. Son genes que codifican proteínas que ayudan a evitar el crecimiento celular descontrolado. Cualquier mutación que disminuya la actividad normal de la proteína supresora de tumores puede contribuir a la aparición de cáncer, debido a la estimulación del crecimiento por la ausencia de supresión. Las proteínas supresoras de tumores desempeñan varias funciones: reparar el ADN dañado, con lo que se impide que la célula acumule mutaciones causantes de cáncer; controlan la adhesión de las células entre sí o con la matriz 139

extracelular; y algunas son componentes de las vías de señalización que inhiben el ciclo celular. ORIGEN VÍRICO DE ALGUNOS CÁNCERES. Algunos virus desempeñan un papel importante en el desarrollo del 15% de los cánceres que afectan a la especie humana. Son los virus tumorales –entre los que se encuentran los virus tumorales de ARN (retrovirus), como el denominado HTLV-1 –, que origina un tipo de leucemia en el adulto, y los virus tumorales de ADN, como el virus de Epstein-Barr, un hipoviruos asociado al linfoma de Burkitt, o el virus del papiloma humano, un grupo de más de 100 virus, alguno de los cuales se asocia al cáncer de útero. Los virus tumorales insertan el ácido viral en el ADN cromosómico de la célula huésped. El material hereditario puede alterar los mecanismos de control del crecimiento y de la división celular; con ello, la célula normal se transforma en cancerosa. EVOLUCIÓN POR SELECCIÓN NATURAL: DARWINISMO. SELECCIÓN NATURAL. El mecanismo de evolución por selección natural propuesto por Darwin está sustentado en las observaciones realizadas durante su viaje alrededor del mundo a bordo del barco de la armada británica HMS Beagle, y que se pueden resumir en cuatro puntos básicos: 1. Capacidad reproductiva elevada. La mayoría de las especies tienen una gran capacidad reproductiva, siendo capaces de producir un elevado número de descendientes, la mayor parte de los cuales no llegará a la edad adulta y no se reproducirá. 2. Lucha por la existencia. EL crecimiento de una población está limitado por los recursos disponibles, de tal manera que al existir un número mayor de individuos de los que pueden vivir con esos limitados recursos, se establece entre ellos una lucha por la existencia, impidiendo que todos sobrevivan para reproducirse. 3. Variabilidad individual. Dentro de una especie, existe gran variabilidad individual, de tal manera que algunos individuos presentan características que los diferencian del resto. 4. Supervivencia del más apto. Algunas de las características individuales confieren a su poseedor una mayor capacidad hasta la madurez y reproducirse, y así, transmitir a sus descendientes estas particulares características.

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De generación en generación se van acentuando características favorables; tras numerosos años de selección natural, los individuos de una población pueden diferir de sus antecesores. Si estas diferencias son muy importantes, pueden llegar a formar una nueva especie. La teoría de Darwin no pudo explicar cómo se crea la variabilidad individual que caracteriza a los individuos en una población, y cómo se transmiten los caracteres a la descendencia. Ahora se conocen los mecanismos de transmisión de los caracteres hereditarios, y también se sabe que la variabilidad que caracteriza a los individuos de una especie se debe a las mutaciones. A pesar de que Mendel y Darwin fueron contemporáneos, Darwin desconocía las teorías de Mendel sobre la herencia. CARACTERÍSTICAS DEL NEODARWINISMO. Las ideas en las que se sustenta el neordawinismo son: • •

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Rechazar la teoría de Lamarck, que postulaba la herencia de los caracteres adquiridos. Considerar a la población como unidad evolutiva, en lugar del individuo. Se define entonces la población como una comunidad de individuos de la misma especie, unidos por lazos de apareamiento y parentesco. No se considera al individuo como unidad evolutiva debido a que su genotipo no cambia a lo largo de su vida, mientras tiene continuidad de generación en generación y su constitución genética puede cambiar a través de las generaciones. Se introduce entonces el concepto de acervo genético como conjunto de genotipos de todos los individuos que componen una población. Las mutaciones aportan la variabilidad genética sobre la que luego actúa la selección natural en el proceso evolutivo. Algunas de estas mutaciones producen variaciones individuales que permiten a su poseedor adaptarse a las condiciones ambientales, y, por tanto, tener mayor probabilidad de sobrevivir y transmitir a sus descendientes sus características genéticas. Sin embargo, existen mutaciones que implican una peor adaptación al medio ambiente, y sus portadores irán desapareciendo de la población. La evolución se produce de una manera gradual como consecuencia de pequeños cambios que van surgiendo en la población, con lo que el proceso para que aparezca una especie es muy largo.

ALTERNATIVAS DEL NEODARWINISMO. TEORÍA NEUTRAL. Propuesta en 1968 por Motoo Kimura, especialista en genética de poblaciones. Se denominó teoría neutral de la evolución molecular por postular que la mayoría de las mutaciones que ocurren en el ADN son adaptativas neutras, es decir, ni favorecen ni 141

perjudican a los organismos, y su permanencia o su eliminación del acervo genético de una población es una cuestión de azar. Si los genes permanecen y son heredados, puede que produzcan variaciones fenotípicas que, bajo condiciones de aislamiento adecuadas, favorezcan la formación de nuevas especies. Esta teoría implica la existencia de un reloj molecular de la evolución, ya que el ritmo con el que en un gen determinado se producen las sustituciones de un componente por otro es prácticamente constante a lo largo de los grandes períodos de tiempo que exige la evolución. Este reloj molecular permite cuantificar el tiempo transcurrido desde que dos especies se separaron de un antecesor común, en función del número de diferencias que haya en la secuencia de nucleótidos de un gen o bien en la secuencia de aminoácidos de una proteína.

TEORÍA DEL EQUILIBRIO INTERMITENTE O PUNTUALISMO. En el registro fósil, que marca la evolución de una especie, se encuentran los puntos de partid a y final, pero muchas de las formas intermedias de transición. Para explicar este hecho, se desarrolló el modelo del equilibrio intermitente o puntualismo. Es una teoría propuesta en 1972 por los paleontólogos norteamericanos Niles Eldredge y Stephen Jay Gould. Considera que el registro fósil muestra con fidelidad lo ocurrido en la evolución, y que en una especie para por largos periodos de “estasis” (periodos de tiempo de millones de años en los que no sufre cambios) seguidos por períodos cortos en los que sufre una rápida especiación. Esta teoría, que considera que la evolución se produce “a saltos”, se enfrenta a la neodarwinista, que considera que ocurre de manera gradual. La explicación puede llegar de mano de la genética molecular, y los puntualistas proponen que estos cambios bruscos son consecuencia de mutaciones producidas en genes reguladores que ejercen el control sobre cientos de otros genes, lo que provocaría grandes cambios estructurales en el organismo. GRADUALISMO. El gradualismo apoya el punto de vista darwiniano, que postula un modelo gradual más o menos constante; si el registro fósil es incompleto, está motivado porque muchos organismos se descomponen al morir y no dejan evidencia fósil de su existencia. El hecho de que en algunas ocasiones exista un registro fósil completo avala esta teoría gradualista.

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REPRODUCCIÓN CELULAR. EL CICLO CELULAR Las células que pierde un organismo deben ser sustituidas por otras; de ellos se ocupa la división celular, que permite obtener dos células idénticas a su progenitora a partir de una sola célula. Este proceso supone para la célula madre: • •

Duplicar su material hereditario, que luego ha de repartirse equitativamente entre las células hijas. Dividir en dos su citoplasma.

El ciclo celular es el conjunto de cambios que sufre una célula desde que se ha formado, por división de otra preexistente, hasta que se divide para dar origen a dos células hijas. Su duración varía entre unas pocas horas y varios años según el tipo celular. En las células eucarióticas, el ciclo celular se divide en dos fases: interfase, en la que la célula crece y sintetiza diversas sustancias; y fase M, en la que ocurren la mitosis y la citocinesis. La fase M no suele durar más de una o dos horas. Así pues, la duración del ciclo celular depende, fundamentalmente, de la duración de la interfase. CONTROL DEL CICLO CELULAR. Existen, como las de la piel humana, que se dividen con frecuencia, pero también las hay que no se dividen nunca, como las neuronas. Estas diferencias en el ciclo celular son el resultado de un control que se efectúa en el nivel molecular. El ciclo celular está controlado por un conjunto de proteínas citoplasmáticas que funcionan de forma cíclica. Existen tres puntos de control específicos localizados en la fase G1, al final de la fase G2 y en la fase M, entre la metafase y la anafase. Son lugares donde la división celular se detiene hasta que recibe una señal de continuación. Si la célula recibe una señal de continuación en el punto G¹, por lo general, completará el ciclo y se dividirá. Si no recibe la señal de continuación, abandonará el ciclo para cambiar a un estado de no división denominado fase G⁰, como ocurre en las neuronas y en las células musculares complementarias formadas y maduras.

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INTERFASE. Es el periodo de tiempo que transcurre entre dos mitosis, y ocupa la mayor parte del ciclo celular. Durante la interfase, hay una gran actividad metabólica, la célula aumenta de tamaño y duplica su material genético preparándose para la división celular. Se distinguen tres periodos o fases: •

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Fase G1. Su nombre viene del inglés gap. En ella se sintetizan las proteínas necesarias para que la célula aumente de tamaño. Comienza termina la fase M y dura hasta que se inicia la replicación del ADN. Su duración es muy variable, dependiendo del tipo celular. En las células que no entran nunca en mitosis, esta fase es permanente y recibe el nombre de G⁰. Se dice entonces que la célula se encuentra en estado de reposo o quiescencia. Se da en células que han sufrido un proceso importante de diferenciación como neuronas o las fibras musculares estriadas. Su dotación o ploidia es de 2n. Fase S (S de síntesis). Se produce la replicación del ADN y se sintetizan las histonas. En los mamíferos, esta fase dura unas siete horas. Como resultado de la replicación, cada cromosoma está formado por dos cromátidas unidas por el centrómero. Fase G2. Tiene una duración muy corta (alrededor de tres horas en los mamíferos), y en ella, la célula puede aumentar ligeramente de tamaño. Se transcriben y traducen genes que codifican las proteínas –como por ejemplo, la tubulina –necesarias para que la célula se divida, y se duplican los centriolos. Esta fase finaliza en el momento en que se inicia la condensación de los cromosomas para comenzar la mitosis. Su dotación o ploidia es de 4n, por lo que necesita mecanismos de expresión genética para evitar un exceso de producción.

DIVISIÓN CELULAR: MITOSIS Y CITOCINESIS. Tras la replicación del ADN, se puede llevar a cabo la división celular o fase M. La división celular, tanto en las células animales como en las vegetales, consta de dos procesos: la mitosis, in la que se produce la división del núcleo; y la citocinesis, que consiste en la división del citoplasma. El objetivo de la división celular es producir dos células hijas con idéntico material genético. MITOSIS La mitosis, también llamada cariocinesis. •

Finalidad: multiplicación para crecimiento del individuo o para la sustitución o el re-emplazamiento de células muertas (regeneración de tejidos).

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• •

Tipos de células en las que se produce la mitosis: células somáticas de cualquier dotación cromosómica. Tipos de mitosis: o Astral (con áster): células animales. Tienen centriolos, huso acromático en forma de huso y se dibuja con forma de esfera. o Anastral (sin aster): célula vegetal, por lo que el dibujo tiene pared celular. No tiene centriolos y el huso es en tonel.

Se divide en varias etapas sucesivas. FASES DE LA MITOSIS. Profase •

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Se produce una condensación de la cromatina, y los cromosomas comienzan a hacerse visibles. Como ya se ha producido la replicación durante la fase S, cada uno está formado por los cromátidas hermanas idénticas unidas por el centrómero. En las células que tienen centriolos, ya duplicados en la fase G², comienzan a separarse hasta que se sitúan en polos opuestos de la célula. A medida que se separan los centriolos, se forman entre ellos –por polimerización de los microtúbulos del áster– los microtúbulos polares, que constituyen el huso acromático o huso mitótico. La membrana nuclear y el nucléolo desaparecen, y los cromosomas se dispersan por el citoplasma. En los centrómeros de cada cromosoma se forman los cinetócoros, a partir de los cuales se originan los microtúbulos cinetocóricos.

Metafase • • •

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Los cromosomas alcanzan el grado máximo de condensación. El huso acromático está formado y se extiende entre los dos polos de la célula. Los microtúbulos cinetocóricos empujan a los cromosomas de manera lenta y progresiva hasta situarlo en el plano medio del huso acromático, donde forman la placa ecuatorial o metafásica. Los centrómeros se colocan perpendiculares al eje formado por los dos centriolos, de manera que cada una de las cromátidas que forman el cromosoma metafásico queda orientada hacia el polo.

Anafase. Las dos cromátidas de cada cromosoma inician, de forma simultánea, un movimiento de separación hacia polos opuestos arrastradas por los microtúbulos cinetocóricos, que se acortan por despolimerización. La separación de ambas cromátidas se inicia 145

por el centrómero y se forma sincronizada en todos los cromosomas de la placa metafásica. Telofase. Los nucléolos reaparecen y los cromosomas comienzan a descondensarse, con lo que dejan de ser visible. La membrana nuclear reaparece de cada grupo de cromosomas, delimitándose así dos zonas nucleares; una en cada polo de la célula. Las membranas se forman a partir del retículo endoplasmático. CITOCINESIS. La división celular no termina con la mitosis; con ella se ha repartido la dotación genética de la célula, pero aún es necesario que el citoplasma se divida entre las dos células hijas y que los orgánulos citoplasmáticos se repartan de la manera más equitativa posible. Este proceso se denomina citocinesis, y ocurre de modo diferente en las células animales y vegetales. Células animales. En las células se produce un estrangulamiento que divide en dos a la célula madre. A la altura de la placa ecuatorial aparece un anillo contráctil formado por filamentos de actina y miosina. Este anillo se va estrechando, y origina un surco de segmentación que cada vez se produce el estrangulamiento total y la separación de las dos células hijas. Células vegetales. En las células vegetales, a la altura de la placa ecuatorial se forma un tabique de separación entre las dos células hijas denominado fragmoplasto. Se forma por fusión de las vesículas del aparato de Golgi –que contienen los componentes que originan la pared celular– y los restos de los microtúbulos que formaban el huso acromático. El fragmoplasto no se cierra completamente, sino que se halla perforado por fines puentes citoplasmáticos o plasmodesmos que aseguran la comunicación entre las dos células hijas. TIPOS ESPECIALES DE DIVISIÓN CELULAR. El proceso de división celular descrito da como resultado dos células hijas iguales. Aunque es el tipo de división más frecuente, no siempre ocurre así. A veces, el reparto de material citoplasmático es asimétrico o se produce un número mayor de células hijas.

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Gemación. Se produce un reparto asimétrico de material citoplasmático. El huso acromático se desplaza a la periferia de la célula, y la célula hija surge como una yema de un lateral de la madre. A veces, la célula hija permanece unida a la madre y a su vez se reproduce, formándose cadenas de células. Este tipo de división se da, por ejemplo, en las levaduras. Esporulación. Se producen varias mitosis sucesivas en el interior de unas células sin que ocurra la citocinesis, de modo que se forman células multinucleadas. Cuando se alcanza un cierto número de núcleos, se rodean de una membrana plasmática y una porción de citoplasma, y se liberan por rotura de la célula madre. Este proceso es frecuente en los hongos y en algunos protozoos.

LA MEIOSIS. La meiosis es un tipo de división celular que se da en células germinales, los meiocios, (células madres de óvulos o espermatozoides) y que sólo se dan en células diploides y nunca en haploides. Tiene dos finalidades: 1. Mantener constante el número de cromosomas de la especie reduciendo los cromosomas al a mitad dando origen a células haploides, es decir, con la mitad del contenido de ADN. Estas células son los gametos de los organismos que se reproducen sexualmente. Se da en la Anafase I, donde se reduce el número. 2. Aumentar la variabilidad genética de la especie. En esto se basa la evolución. Estas se dan por mutaciones o por la meiosis (al intercambiar el material genético entre las dos cromátidas de los cromosomas homólogos) a través de dos sexos diferentes con una reproducción sexual. Se da en la Profase I, Anafase I y en la Anafase II. La meiosis consta de dos divisiones sucesivas –meiosis I y II– que, al igual que la mitosis, están divididas en varias etapas. En la interfase previa a la meiosis I, como resultado de la replicación del ADN, se produce la duplicación de los cromosomas, que quedan formados por dos cromáticas unidas por el centrómero. MEISIS I O DIVISIÓN REDUCCIONAL. En esta primera división meiótica se aparean los cromosomas homólogos y se produce el intercambio de material hereditario; al finalizar, los cromosomas se han reducido a la mitad. Profase I. Es la etapa más compleja y está dividida, a su vez, en cinco subfases.

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1. Leptoteno. Los cromosomas se condensan hasta hacerse visibles al microscopio óptico. Cada uno está formado por dos cromátidas estrechamente unidas, que no se distinguen hasta el final de la profase. Cada cromosoma está unido por sus extremos a la envoltura nuclear mediante placas de unión. 2. Cigoteno. Los cromosomas homólogos se aparean hasta quedar completamente alineados, punto por punto, en toda su longitud. Este apareamiento se llama sinapsis, y se produce a través de una estructura proteica llamada complejo sinaptonémico. Se forma una estructura constituida por cuatro cromátidas, tétrada o cromosoma bivalente. Permite la yuxtaposición de cada gen como homólogo. 3. Paquiteno. Se produce el sobre-cruzamiento o intercambio de material cromatídico entre las cromátidas de los cromosomas homólogos. La consecuencia de este cruzamiento es el intercambio de genes o recombinación génica. 4. Diploteno. Los cromosomas homólogos inician su separación, permaneciendo unidos por los puntos donde ha tenido lugar el sobre-cruzamiento, denominados quiasmas. 5. Diacinesis. Los cromosomas se condensan al máximo y sus dos cromátidas hermanas está unido por el centrómero, mientras que cada par de cromosomas permanece unido por los quiasmas que se producen entre cromátidas no hermanas. Desaparecen el nucléolo y la membrana nuclear, se forma el huso acromático y comienzan a formarse las fibras cinetocóricas. Metafase I. Es similar a la metafase mitótica, pero con la diferencia de que en la placa ecuatorial se disponen las tétradas. Los centrómeros de cada par de homólogos se disponen en lados opuestos de la placa, pero lo cinetócoros de las cromátidas que pertenecen al mismo cromosoma están fusionados y se orientan hacia el mismo polo. Anafase I. Los pares de cromosomas homólogos comienzan a separarse hacia los polos opuestos de la célula. Como los dos cinetócoros se han fusionado, no se separan cromátidas como en la anafase mitótica sino cromosomas completos. Cada cromosoma de un par, formado por dos cromátidas en las que ha habido recombinación genética, se dirige a un polo de la célula. Telofase I. Reaparecen la membrana nuclear y el nucléolo, mientras que los cromosomas sufren una pequeña descondensación.

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Se obtienen dos células hijas con la mitad de cromosomas que tenía la célula madre, y con dos cromátidas cada cromosoma. MEIOSIS II. También recibe el nombre de segunda división meiótica. Se desarrolla del mismo modo que la mitosis, y ocurre simultáneamente en las dos células hijas. Antes de comenzar, se produce una corta interfase en la que no hay síntesis de ADN. • •

• •

Profase II. Desaparece la membrana nuclear, los cromosomas se condensan y se forma el huso acromático. Metafase II. Los cromosomas se sitúan en la cadena ecuatorial. Cada uno está formado por dos cromátidas unidas por el centrómero, y cada una tiene asociado un cinetócoro. Anafase II. Se separan los centrómeros, y cada cromátida emigra hacia polos puestos. Telofase II. Se forma la membrana nuclear alrededor de los cromosomas, que se descondensan. Se produce la citocinesis y se obtienen cuatro células hijas, cada una de las cuales tiene la mitad de los cromosomas de la célula madre. Son células haploides y genéticamente distintas, ya que tienen algunos de los cromosomas recombinados.

MITOSIS, MEIOSIS Y REPRODUCCIÓN. Tanto la mitosis como la meiosis son dos tipos de división celular; sin embargo, tienen diferente función: • •

La mitosis interviene en el crecimiento de los organismos pluricelulares y la reproducción asexual. La meiosis es imprescindible en la reproducción sexual.

La reproducción es la capacidad que poseen todos los seres vivos para producir individuos iguales o semejantes a ellos. Existen dos modos básicos de reproducción de los organismos vivos, la reproducción asexual y la reproducción sexual. REPRODUCCIÓN ASEXUAL. Se caracteriza porque interviene un solo organismos que produce copias idénticas de sí mismo. Se da, prácticamente, en todos los seres unicelulares. También es frecuente en plantas y hongos, y ocurre en algunos animales la hidra de agua dulce. En los seres unicelulares, la reproducción asexual se produce por medio de una mitosis. A partir de la célula madre se obtienen dos células hijas. En los seres

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pluricelulares, se produce también sucesivas mitosis, generándose un grupo de células que van a producir un organismos completo. Mediante la reproducción asexual no se genera la variabilidad genética. Como es un proceso muy sencillo y rápido, un organismo que esté bien adaptado a un medio puede dar lugar a un gran número de descendentes en poco tiempo y colonizarlo. Sin embargo, si las condiciones del medio cambian, toda la población que es genéticamente homogénea puede sucumbir por no estar preparada para las nuevas condiciones. REPRODUCCIÓN SEXUAL. Intervienen dos individuos que combina su información genética para formar un nuevo individuo, que tendrá una mezcla de los caracteres de los progenitores. Se da en los seres pluricelulares y en algunos unicelulares. Dos progenitores aportan cada uno una célula reproductora haploide o gameto (n), que se ha producido mediante un proceso de meiosis a partir de los meiocitos. En la fecundación, se fusionan los dos gametos y forman una sola célula, el cigoto, en la se restituye el número de cromosomas (2n) de la especie. El cigoto es la primera célula del nuevo individuo. Su desarrollo dará origen al organismo adulto. La reproducción sexual es más compleja que la asexual, debido a que se produce la meiosis y también a que es necesario que se produzca la fecundación, lo que implica que se encuentren dos gametos de sexo opuesto. Si, pese a estos “inconvenientes”, la reproducción sexual se mantiene, es porque aporta un incremento de la variabilidad genética en la descendencia, lo cual puede ser ventaja para los organismos. Esta variabilidad es consecuencia de: 1. La recombinación ocurrida en la meiosis. Este proceso provoca que cada cromosoma intercambie fragmentos con su homólogo. 2. La distribución de cromosomas paternos y maternos. Durante la meiosis, os cromosomas de los progenitores se distribuyen al azar, lo que provoca que un solo miembro de cada pareja de homólogos vaya a cada uno de los gametos. 3. Las diferencias entre los genes. En la fecundación, cada gameto, se uno con otro que aporta un conjunto de genes diferentes. El incremento de variabilidad genética puede contribuir a que en un individuo se produzca una mezcla de caracteres más favorable que la que tenía a que cualquiera de sus progenitores. Así, en situaciones adversas, la reproducción sexual puede favorecer la adaptación al medio. Algunos organismos, cuando las condiciones del medio son favorables, se reproducen muy rápidamente por reproducción asexual; sin embargo, cuando las condiciones del medio son adversas, se emplean la reproducción sexual. 150

Los pólipos o los helechos presentan lo que se denomina reproducción alternante, en la que sea alterna una fase con la reproducción sexual y otra con reproducción asexual. TIPOS DE CICLO BIOLÓGICOS. La alternancia entre la meiosis y la fecundación es común a todos los seres vivos que se reproducen sexualmente. En función del momento en el que se producen estos dos procesos estos dos procesos meiosis y fecundación, los organismos vivos uno y otro tipo de ciclo biológico. CICLO HAPLONTE. En la mayoría de los hongos y en algunos protoctistas, incluidas algunas algas. La meiosis, llamada cigótica, se produce inmediatamente después de haberse formado el cigoto. Se generan células haploides que, por mitosis, irán aumentando su número hasta formar un organismo adulto multicelular haploide. Este organismo produce gametos, también haploides, que tras la fecundación darán origen a un cigoto diploide, único momento del ciclo vital de estos organismos en el que su constitución genética es diploide. CICLO DIPLONTE. Este tipo de ciclo del ser humano, del resto de los animales y algunos protoctistas. Todas las células que forman el organismo son dipolides salvo los gametos, que son haploides. La meiosis, llamada gamética, ocurre durante la formación de los gametos; tras la unión de los gametos o fecundación, se forma un cigoto diploide que se divide por mitosis dando origen a un organismo multicelular que es diploide. CICLO HAPLODIPLONTE. Las plantas y algunas especies de algas y de hongos presentan un tipo de ciclo vital en el que hay una alternancia de generaciones, y a que una parte de su ciclo es haploide y otra es diploide. La etapa multicelular diploide se denomina esporofito, y da origen por meiosis esporogénica a células haploides o esporas, que, a diferencia de los gametos, pueden dar origen a un individuo multicelular llamado gametofito sin necesidad de unirse a otra célula.

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El gametofito, que es haploide, produce por mitosis, que tras su fecundación da lugar a un cigoto diploide, que al desarrollarse formará un nuevo esporofito. Aun difiriendo del momento en que ocurren la meiosis y la fecundación, existe un hecho fundamental que es compartido por todos los organismos con reproducción sexual: cada ciclo de duplicación y de reducción a la mitad de los cromosomas contribuye a la variabilidad genética de la descendencia.

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LAS LEYES DE LA HERENCIA. PLANTEAMIENTO EXPERIMENTAL DE MENDEL. Frente a todas las teorías que se habían postulado anteriormente, Mendel tuvo el gran acierto de utilizar un adecuado planteamiento experimental en el desarrollo de sus trabajos llevados a cabo en el huerto del monasterio de Brünn, la actual Brno. Mendel quería saber cómo se heredaban los caracteres individuales, y para ello utilizó la planta del guisante, que era fácilmente cultivable en el huerto del monasterio. Además, el guisante se mostró como una planta idónea por ser económica, producir gran número de descendientes y, al ser hermafrodita, ser posible su autofecundación. También permite la fecundación cruzada artificial entre plantas concretas, para lo cual se cortan los estambres de una flor y se la fecunda con polen de otra. Al acierto en la elección de la planta, Mendel añadió otros menos importantes como: • •

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Plantear una hipótesis muy concreta: “cada carácter de heredaba individualmente”, o, lo que es lo mismo, independientemente del resto. Seleccionar caracteres cualitativos fácilmente observables, como el color de la flor, y que presentasen claras alternativas diferenciables; en el caso de las flores, púrpuras o blancas. De los numerosos caracteres de la planta del guisante, Mendel eligió siete: color y aspecto de la semilla, color y aspecto de la vaina, altura del tallo y posición de la flor. Centrar la experimentación en un solo carácter o a lo sumo en dos; como por ejemplo, el color de la semilla o su aspecto. Esto le facilitó proporciones numéricas fácilmente manejables. Utilizar un enfoque cuantitativo. Contabilizó los diferentes tipos de individuos resultantes de daca cruzamiento, y analizó los resultados matemáticamente. El resultado cuantitativo de un problema biológico fue, por entonces, un método totalmente nuevo.

METODOLOGÍA DE LOS TRABAJOS DE MENDEL. La metodología de Mendel todavía está vigente; se sigue utilizando actualmente en estudios y consiste en: •

Utilizar razas puras de cada uno de los caracteres seleccionados. Para ello, obtuvo hasta 32 variedades de guisantes y los cultivó durante dos años para seleccionar en sus experiencias solo aquellas plantas cuyos descendientes se pareciese en siempre a los progenitores en un carácter determinados. A las razas así obtenidas las denominó puras, y constituyeron la generación parental (P). 153

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Realizar cruces experimentales mediante la hibridación entre razas puras que diferían en un carácter para obtener una generación de descendientes o híbridos a la que llamó primera generación filial (F¹). Autofecundar las plantas de la F¹ para así obtener una segunda generación (F²). Repetir las experiencias para todos y cada uno de los caracteres seleccionados, obteniendo gran cantidad de datos que fueron analizados cuantitativamente.

De esta manera, consiguió demostrar que la herencia se producía de forma predecible. Los trabajos de Mendel fueron publicados en 1866, pero sus experiencias pasaron inadvertidas, hasta que 34 años después fueron reconocidas y renombradas como leyes de Mendel. ESTUDIO DE LA HERENCIA DE LOS CARACTERES. Uno de los caracteres cuya herencia estudió Mendel fue color de la flor, un carácter que se presenta bajo dos alternativos: flores púrpuras o floras. Para ello, cruzó, mediante fecundación artificial, plantas de raza pura con flores purpura y plantas con flores blancas. La primera generación filial (F¹) obtenida de este cruzamiento estuvo formada por un conjunto de plantas híbridas que presentaban todas ellas flores de color púrpura. Aparentemente, el color blanco había desaparecido en esta F¹. Repitió la experiencia con el resto de los caracteres seleccionados, y en todos los casos ocurrió lo mismo: F¹ estaba formada por plantas con un carácter uniforme que, además, coincidía con la alternativa de uno de los parentales. A la alternativa mostrada en los individuos de la F¹ la llamó dominante; a la otra, que no aparecía, la denominó recesiva. Posteriormente, cultivó plantas con flores púrpura de la F¹, permitió su desarrollo y su posterior autofecundación, y obtuvo así una segunda generación filial (F²) formada por 6022 plantas de flores púrpuras y 2001 flores blancas, es decir, una relación de 3 a 1. En esta segunda generación reaparecía la alternativa blanca que había estado oculta en la F¹. Para explicar estos hechos, propuso que cada alternativa de un carácter diferencial debía de estar determinada por un “factor hereditario” o elemente, como el lo llamó. Este es transmitido de los parentales a la descendencia, y puede existir en dos formas, cada una de ellas responsable de una de las dos alternativas que puede mostrar un carácter.

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NUEVOS TÉRMINOS PARA NUEVOS CONOCIMIENTOS. El paso de los años ha hecho que la terminología utilizada por Mendel haya quedado desfasada, siendo necesaria su actualización para comprender mejor sus propias experiencias y las nacidas posteriormente. •

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Gen. Es lo que Mendel llamó elemente, y, según la genética clásica, es una unidad de información hereditaria que controla un determinado carácter, como el color de las vainas o el de las flores. La genética molecular lo define como un fragmento de ADN que lleva información para que unos determinados aminoácidos se unan en un orden concreto y formen una proteína. El lugar que los genes ocupan en los cromosomas es el locus. Alelos o alelomorfos. Son cada una de las diferentes formas alternativas de expresión fenotípica que puede presentar un gen. Por ejemplo, el amarillo o el verde –colores que presentan las semillas del guisante– dependen de alelos diferentes de un mismo gen. Los alelos se representan esquemáticamente utilizando letras; mayúsculas para el alelo dominante, y minúsculas para el recesivo. Los organismos diploides poseen dos alelos para cada gen: uno que proviene de la madre, y oreo del padre. Si los dos alelos son iguales, el individuo es homocigoto; dominante o recesivo (aa). Cuando son diferentes, se le denomina heterocigoto o híbrido (Aa). Genotipo. Combinación de alelos que presenta un individuo para un determinado carácter. Por extensión, se define genotipo como el conjunto de genes que tiene un organismo y que pertenece constante a lo lardo de su existencia. No es observable y se representa con letras. Fenotipo. Es el nombre que recibe la manifestación observable del genotipo: forma, color, tamaño, etc. En el caso de las flores, el fenotipo corresponderá al color manifestado. El fenotipo puede cambiar a lo largo de la existencia de un individuo, ya que la influencia del ambiente puede favorecer su modificación.

LAS LEYES DE MENDEL. En 1900, tres botánicos confirmaron, de forma independiente, las conclusiones de Mendel, dando a conocer sus tres leyes. La primera y la segunda ley se refieren a la herencia de un solo carácter monohíbridos, y la tercera estudia la transmisión simultánea de dos caracteres (dihibridismo).

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PRIMERA Y SEGUNDA LEY. •

Primera ley o ley de uniformidad de los híbridos de la primera generación filial (F¹): todos los individuos de la F¹ -resultantes de un cruzamiento entre dos organismos de raza pura (homocigóticos) para un mismo carácter, pero que difieren en la forma de manifestarse– son genéticamente híbridos o heterocigóticos, y de fenotipo idéntico al de uno de los progenitores. Por ejemplo, el color de la vaina está controlado por un par de genes que forman un pareja alélica: uno (A), que determina el color verde, es dominante sobre su raza alélica (a), que es recesivo y determina el color amarillo. Los parentales son genéticamente razas puras AA o aa y, por tanto, los gametos que se formen tras la meiosis serán de un mismo tipo. Los gametos se unen en la fecundación para dar origen a los individuos de la F1, que genéticamente serán todos híbridos o heterocigóticos Aa y de fenotipo verde, al ser este color dominante sobre el amarillo en el caso de las vainas.

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Ley de la segregación de los caracteres en la segunda generación (F²): al cruzar entre sí individuos de la F¹, los factores o genes que controlan un determinado carácter, y que se encontraban juntos en los híbridos, se separan y se transmiten separadamente uno del otro, de manera que en la F² reaparecen fenotipos propios de la generación parental. Los individuos pertenecientes a la F¹ son híbridos; por tanto, de construcción genética Aa, y forman gametos de dos tipos: la mitad porta el alelo A y la otra mitad, el a. La fecundación entre estos gametos para dar origen a la F² se realiza al azar, de manera que se pueden obtener combinaciones distintas que determinen fenotipos verdes y amarillos –en proporción 3 a 1–, y genotipos diferentes –AA, Aa y aa– en proporciones 25%,50% y 25% respectivamente.

RETROCRUZAMIENTO O CRUZAMIENTO PRUEBA. Los individuos que presentan el fenotipo dominante pueden ser homocigóticos o híbridos. Para conocer cuál es su genotipo, se cruzan con otro individuo de genotipo homocigoto recesivo, lo que denomina retrocruzamiento. Si entre sus descendientes aparece alguno cuyo fenotipo coincida con el que presenta el progenitor homocigoto recesivo, se podrá deducir que el otro progenitor tiene una constitución genética Aa; mientras que si fuese AA, toda la descendencia, presentaría el fenotipo del alelo dominante A.

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TERCERA LEY DE MENDEL. Es la ley de la independencia de los caracteres, y estudia la transmisión simultánea de dos caracteres. En esta ocasión, Mendel cruzó plantas de guisantes que se diferenciaban en dos caracteres: color (A) y aspecto (B) de la vaina. Los parentales eran razas puras para ambos caracteres: uno tenía las vainas verdes lisas (AABB), y el otro, amarillas rugosas (aabb). La F1 resultante de este cruzamiento presentaba un fenotipo uniforme, verde liso, mientras que en la F2, resultante de la autofecundación de los individuos de la F1, había plantas que presentaban fenotipos nuevos. Estos resultados no contradicen ninguna de sus anteriores experiencias, ya que si los dos caracteres se consideran independientemente, los colores verde y amarillo aparecen en una proporción de 3 a 1, y lo mismo ocurre con el aspecto liso y rugoso, que también aparece en una proporción de 3 a 1. De estos resultados se puede extraer una primera conclusión: el color y el aspecto de la vaina se comportan como si fuesen totalmente independientes, pudiendo combatirse aleatoriamente. Los resultados de esta experiencia se pueden explicar de la siguiente manera: •

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La F1 está formada por dihíbridos que producen gametos de cuatro clases: AB, Ab, y ab, en una proporción de ¼ cada uno. Como la fecundación entre el gameto masculino y el femenino es un proceso al azar, cada uno de los cuatro gametos formados por el progenitor masculino puede unirse con cada uno de los cuatro gametos formados por el progenitor femenino, de tal manera que se obtiene un total de 16 posibles combinaciones genotípicas, cada una de ellas con una probabilidad de aparición de ¼ x ¼ = 16. La F2 estaría formada por individuos de cuatro fenotipos diferentes, en las siguientes proporciones: 9/16 plantas de vainas verdes lisas, 3/16 plantas de vainas verdes rugosa, 3/16 plantas con vainas amarillas lisas y 1/16 plantas con vainas amarillas rugosas. O lo que es lo mismo, una segregación fenotípica 9:3:3:1.

La tercera ley o principio de la transmisión independiente indica que cuando se forman los gametos, los alelos de un gen se transmiten independientemente de los alelos de otro gen. POLIHÍBRIDOS. SI los individuos utilizados en los cruzamientos difieren en dos caracteres, se denominan dihíbridos: si lo son en tres, trihíbridos; y en general, cuando lo hacen en varios caracteres, se llaman polihíbridos. 157

El propio Mendel estudió un caso de trihibridismo con el cruzamiento entre dos razas puras de guisante que diferían en tres caracteres. Comprobó que también se cumplían sus tres leyes. TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA. Desde que Mendel publicó sus trabajos hasta que fueron reconocidos por la comunidad científica, hubo notables avances en el campo de la citología, como, por ejemplo, el descubrimiento de los cromosomas y su papel en la mitosis y en la meiosis. Genética y citología empiezan entonces a relacionarse; la citología mediante el estudio microscópico de la célula, había acumulado suficientes observaciones para explicar la transmisión y el comportamiento de los factores hereditarios descubiertos por Mendel. En 1903, ambas disciplinas se relacionan se relacionan de forma definitiva a través de los trabajos de Walter S. Sutton y Theodor Boveri sobre la espermatogénesis en los saltamontes. Tras observar como ocurría la meiosis, sugirieron que los genes o factores hereditarios de Mendel estaban localizados en los cromosomas y que, además, durante la misma y también en la fecundación, genes y cromosomas se comportaban de manera similar. Esto se basó en que: •

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La existencia de dos alelos para un carácter determinado –cada uno de ellos, heredado de un progenitor distinto- es compatible con la existencia de dos cromosomas homólogos, que igualmente se heredan de progenitores diferentes. La separación de dos alelos que determinan un carácter ocurre durante la formación de dos gametos, al igual que cada uno de los dos cromosomas homólogos pasa a gametos diferentes durante la meiosis. La transmisión independiente de algunos genes que controlan caracteres distintos se produce porque se localizan en cromosomas no homólogos; estos cromosomas, a su vez, se distribuyen en los gametos independientemente del progenitor del que provienen. Durante la fecundación, los dos alelos, cada uno procedente de un progenitor distinto, se agrupan igual que lo hacen los dos cromosomas para formar la pareja de homólogos.

Por la analogía encontrada entre la actividad de los cromosomas en la meiosis y las leyes de Mendel, Sutton propuso que los genes se encuentran localizados en los cromosomas, lo que considera como el principio básico de la teoría cromosómica de la herencia. Postulados: 1. Los factores (genes) que determinan los factores hereditarios del fenotipo se localizan en los cromosomas. 158

2. Cada gen ocupa un lugar específico o locus dentro de un cromosoma concreto. 3. Los genes se encuentran dispuestos linealmente a lo largo de cada cromosoma. 4. Los genes alelos se encuentran en el mismo locus de la pareja de cromosomas homólogos, por lo que en los organismos diploides cada carácter está regido por un par de genes alelos. GENES LIGADOS. Años después del redescubrimiento de las leyes de Mendel, se demostró que la tercera ley tiene numerosas excepciones. Estas excepciones ocurren cuando los genes que controlan caracteres diferentes se encuentran en el mismo par de cromosomas homólogos; se habla entonces de genes ligados, ya que los caracteres tienden a transmitirse juntos a la descendencia. La existencia de genes ligados fue puesta de manifiesto en el año 1911 por Thomas Hunt Morgan y sus colaboradores, al estudiar cómo se transmitían en la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) dos caracteres: color del cuerpo y longitud de las alas.

HERENCIA POLIGÉNICA. Caracteres como el color de la piel o la estatura en la especie humana, la producción de leche en las vacas o el tamaño de los frutos en plantas, que presentan no dos, sino numerosas alternativas. Estos caracteres se conocen como caracteres cuantitativos. HERENCIA POLIGÉNICA. Los caracteres cuantitativos entre los que no existe una clara diferencia, puesto que muestran una graduación de pequeñas desigualdades, son caracteres controlados genéticamente; aunque sobre ellos actúan también factores condicionados por el ambiente, como el clima, la nutrición o las enfermedades. La herencia de estos caracteres se denomina herencia poligénica, y está controlada por muchos genes situados en loci distintos, cuya acción es acumulativa. Se trata de caracteres cuantitativos, puesto que las pequeñas diferencias fenotípicas existentes entre los individuos son cuantificables. Cuando alguno de estos caracteres se mide en un elevado número de individuos, los valores obtenidos se pueden representar gráficamente. Se obtiene entonces una curva en forma de campana, llamada distribución normal o de Gauss, caracterizada porque el número de individuos con fenotipos extremos es pequeño, frente a los de fenotipos intermedios.

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En 1909 el sueco Nilsson-Ehle descubrió un caso muy sencillo de herencia poligénica: se trata del color de los granos de trigo, carácter controlado por al menos dos genes. En esta herencia, los cuatro alelos muestran un efecto cuantitativo acumulativo que hace que el color de los granos de trigo del rojo oscuro al blanco, pasando por distintos tonos de rojo. GENÉTICA HUMANA. Dada la naturaleza del ser humano, no es posible aplicar para su estudio genético los métodos empleados con otros organismos; de ahí que la genética humana tenga que recurrir a la elaboración de árboles genealógicos o pedigríes, en los que se estudia la transmisión de un determinado carácter a lo largo de varias generaciones. ELABORACIÓN DE UN ÁRBOL GENEALÓGICO. Cada individuo se representa mediante un símbolo: Los círculos representan a las mujeres, y los cuadros a los hombres. Si no se conoce el sexo de la persona, se utiliza un rombo. Los círculos y cuadros blancos indican personas con el carácter dominante para el carácter estudiado, mientras que los oscuros representan personas con el carácter recesivo. Cada fila horizontal de círculos y cuadrados representa una generación, de tal manera que las situadas en la parte inferior del árbol genealógico son las más recientes. Para distinguir una generación de otra, se utilizan números romanos: el I es la primera generación, el II es la segunda generación, el III es la tercera, y así sucesivamente. Para distinguir a las personas que pertenecen a una misma generación, se enumeran de izquierda a derecha: 1, 2, 3, 4, etc. Los matrimonios se indican mediante una línea uniendo a las dos personas. Si son consanguíneos, se hace con una línea doble. Los hijos de una misma pareja se unen mediante una línea horizontal, que estará unida por una línea vertical a la de los padres. Los hijos se disponen de izquierda a derecha según su orden de nacimiento. Los gemelos monocigóticos se representan con círculos o cuadrados emparejados entre sí, y unidos por una línea a los padres; mientras que los dicigóticos se representan por círculos y cuadrados –dependiendo del sexo- unidos a sus padres pero no entre sí.

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HERENCIA POLIGÉNICA EN LA ESPECIE HUMANA. Uno de los casos de herencia poligénica mejor estudiados en la especie humana es el del color de la piel, que varía desde muy oscuro hasta muy claro. Se trata de un carácter que, al parecer, se encuentra controlado por al menos cuatro pares de distintos de alelos de tal manera que los señalados con mayúscula determinan el color oscuro y actúan de manera aditiva. Según esto, las personas de genotipo AABBCCDD tendrán el color de la piel muy oscuro, las de genotipo aabbccdd serán de color muy claro, y las de genotipo AaBbCcDd tendrán un color intermedio entre las dos anteriores. Como ocurre en el caso de otros caracteres cuantitativos, el medio ambiente influye en el fenotipo; en este caso, la mayor o menor exposición a los rayos solares determina un color oscuro o más claro. ALELISMO MÚLTIPLE EN LA ESPECIE HUMANA. En la especie humana, un caso de herencia polialélica es el de los grupos sanguíneos del sistema ABp, descubierto en 1900 por el médico austríaco Karl Landsteiner. Según el sistema AB0, las personas se clasifican en cuatro clases distintas en función de que se produzcan o no la aglutinación sanguínea al mezclar una suspensión de eritrocitos de un tipo con suero sanguíneo de otro. Los cuatro fenotipos, A, B, AB y O, están controlados por una serie alélica integrada por tres alelos: Ia, Ib y I0. La pertenencia a uno u otro grupo sanguíneo viene dada por la presencia de un antígeno específico en la membrana de los glóbulos rojos y por anticuerpos específicos en el plasma sanguíneo. Los alelos Ia y Ib determinan la producción de los antígenos A y B respectivamente, y son co-dominantes mientras que el alelo I0 no produce antígeno, y es recesivo frente a los otros dos. Con estos tres alelos son posibles cuatro fenotipos y seis genotipos distintos. DETERMINACIÓN DEL SEXO. Un aspecto del fenotipo de un organismo es su sexo; en la mayoría de los casos está controlado por genes de los cromosomas sexuales; también existen organismos en los que el sexo depende del ambiente. DETERMINACIÓN CROMOSÓMICA. La especie humana pertenece al grupo de organismos en los que la determinación del seco se realiza por la presencia de cromosomas sexuales o heterocromosomas

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deferentes del resto de cromosomas, denominados autosomas o cromosomas autosómicos. SISTEMAS DE DETERMINACIÓN CROMOSÓMICA DEL SEXO. •

Sistema XX/XY

Es el tipo de determinación de la especie humana y de otros muchos animales. Los cromosomas sexuales se denominan X e Y en función de su forma. Las hembras tienen una dotación XX y son de sexo homogamético, ya que todos los gametos que producen llevan el cromosoma X, mientras que los machos son XY, es decir, de sexo heterogamético, puesto que la mitad de los gametos producidos portan el cromosoma X y la otra mitad el Y. •

Sistema XX/X0 o ZZ/ZO

Este tipo de determinación es propio de algunos insectos, que se caracterizan porque uno de los sexos solo posee un cromosoma sexual. •

Sistema ZZ/ZW.

Tipo de determinación propia de las aves, de algunos anfibios y reptiles, y de lepidópteros. Se utiliza la notación ZZ/ZW para no confundir con la determinación XX/XY, ya que en este sistema son las hembras las heterogaméticas (ZW) mientras que los machos son homogaméticos (ZZ). DETERMINACIÓN POR HAPLOIDÍA. En algunos grupos de insectos sociales no existen cromosomas sexuales. El sexo está determinado por el número de dotaciones cromosómicas; así, los individuos diploides son hembras y los haploides machos. Las hembras se desarrollan a partir de óvulos fecundados, mientras que los machos a partir de óvulos sin fecundar. EN el caso de las abejas, la reina posee óvulos; si estos no son fecundados, desarrollarán por partenogénesis machos o zánganos; mientas que si son fecundados, se originarán hembras. DETERMINACIÓN AMBIENTAL. En algunos animales, la determinación del sexo depende de circunstancias ambientales que influyen en ciertos aspectos del metabolismo de células genéticamente idénticas, modificando su desarrollo y decidiendo así la manifestación del sexo. Entre los grandes saurios, el sexo está determinado por la temperatura a la que se incuban los huevos; si es superior a 27ºC, se obtendrán machos y si es inferior, hembras. 162

HERENCIA LIGADA AL SEXO. HERENCIA LIGADA AL SEXO EN LA ESPECIE HUMANA. La especie humana tiene 46 cromosomas, es decir, 22 parejas de autosomas más una pareja de cromosomas sexuales, XX en la mujer y XY en el hombre. Como en otras muchas especies. El tamaño del cromosoma X es mayor que el del Y, pero en ambos existe un largo segmento homólogo que les permite aparearse y entrecruzarse durante la meiosis, y un corto segmento diferencial, no apareable, con genes para casa uno de los dos cromosomas. •

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Herencia ligada al cromosoma Y. Todos los genes que se encuentran en el segmento diferencial del cromosoma Y son heredados únicamente por los hijos varones. Se llama herencia holándria, ya que se manifiesta solo en los varones, como la presencia de pelos en las orejas o la ictiosis, enfermedad de la piel caracterizada por la formación de escamas y cerdas. Herencia ligada al cromosoma X. Dado que el número de genes y, por tanto, el de caracteres ligados al segmento diferencial del cromosoma X es más numeroso que el de los ligados al Y, se generaliza como herencia ligada al sexo toda la que se encuentra ligada al X. Este es el caso del daltonismo y de la hemofilia, enfermedades provocadas por un gen recesivo situado en el segmento diferencial del cromosoma X. Debido a esta ubicación, para que una mujer padezca la enfermedad debe ser homocigótico recesivo, mientras que en los hombres, que son hemicigotos, basta con el gen se encuentre en el único cromosoma X que tiene para que la padezcan.

HERENCIA INFLUENCIA POR EL SEXO. Existen caracteres, como la calvicie en la especie humana y la presencia o ausencia de cuernos en algunas razas ovinas, que están determinados por genes situados en la parte homóloga de los cromosomas sexuales o en autosomas, y cuya manifestación depende del sexo.

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LA CÉLULA. EL NÚCLEO. CONCEPTO DE CÉLULA. TEORÍA CELULAR. Clásicamente, la célula se define como “la unidad anatómica, fisiológica y patológica de los seres vivos”. Este concepto sigue siendo totalmente válido, pero con el desarrollo de la biológica molecular se ha llegado a un significado en el que se da primacía a los componentes moleculares. Se define la célula, entonces, como “un organismo en el que las acciones integradas de los genes producen grupos de proteínas determinadas que, junto con otras moléculas, constituyen las estructuras características que llevan a cabo actividades relacionadas con la cualidad de la vida: crecer, reproducirse, responder a estímulos y comunicarse con su entorno”. TEORÍA CELULAR. ANTECEDENTES Y DESARROLLO. El largo camino recorrido en la citología a lo largo de los tiempos tuvo su momento culminante con la elaboración y aceptación de la teoría celular. La elaboración de esta teoría no hubiera sido posible sin los aportes que, en el siglo XVII, realizaron el holandés Anton van Leeuwenhoek y el inglés Robert Hooke. Leeuwenhoek construyó el primer microscopio óptico y realizó interesantes observaciones. Hooke describió, gracias al microscopio, la estructura de una laminilla de corcho, observando que estaba compuesta por una serie de celdillas que representaban unidades constitucionales que se repetían. A cada una de estas celdillas la denominó cell. Durante sus investigaciones, Robert Hooke intentó dar respuesta a numerosos interrogantes. Una de las múltiples cuestiones que se planteó fue por qué los tapones de corcho eran tan adecuados para retener aire dentro de una botella. Según sus propias palabras: “… tomé un buen pedazo de corcho limpio y, con un cuchillo tan bien afilado como una navaja de rasurar, lo corté en pedazos y lo examiné al microscopio. Me pareció percibir que tenía una apariencia porosa… muy parecida a la de un panal de abejas”. 164

Sin embargo, la teoría celular como tal fue elaborada más tarde por dos científicos alemanes, el botánico Matthias Jakob Schleiden y el zoólogo Theodor Schwann, quienes sentenciaron que “cada célula es la unidad estructural y funcional de todos los seres vivos”. Unos años más tarde, el gran patólogo alemán Rudolf Virchow completaría la teoría celular añadiendo su famoso aforismo omnis cellula ex cellula, que quiere decir que toda célula procede de otra célula preexistente. ACEPTACIÓN DE LA TEORÍA CELULAR. Todos los científicos no dieron validez universal a la teoría celular. Los llamados “reticulista” sostenían que el tejido nervioso no estaba formado por células independientes, sino que todas ellas estaban unidas entre sí formando una red o plexo; entre estos autores, los había tan famosos como Gerlach y Golgi. La batalla en defensa de la teoría neuronal la inició Santiago Ramón y Cajal al publicar en la revista Archivos de Neurobiología un artículo titulado ¿Neuronismo o reticularismo? En él quedó definitivamente demostrada la individualidad de cada neurona, apostillando aún más la teoría celular y concediéndole su validez universal. POSTULADOS DE LA TEORÍA CELULAR. 1. Todos los organismos formados por una o más células. 2. La célula es la unidad anatómica, fisiológica y patológica de los seres vivos. 3. Toda célula procede por división de otra ya existente. 4. El material hereditario que contiene las características genéticas de una célula pasa de la célula madre a la hija. ORIGEN Y EVOLUCIÓN CELULAR. La utilización del microscopio permitió a los biólogos diferenciar dos tipos de células: las eucarióticas y las procarióticas. Entre ambas hay diferencias estructurales muy importantes, pero a pesar de ello, los mecanismos moleculares básicos que rigen la

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vida en los dos tipos de células son los mismos, lo que implica que proceden de un antecesor común conocido como LUCA. EL COMIENZO DE LA VIDA. Según los cálculos más modernos, la Tierra se formó hace unos 4500 M.a., y la aparición de la vida ocurrió aproximadamente hace 3800 M.a. La explicación de cómo apareció resulta especulativa, ya que las condiciones reinantes en la atmósfera primitiva no son exactamente reproducibles en un laboratorio. No obstante, se han realizado para dar una explicación de los distintos pasos ocurridos hasta que surgió la vida; estas experiencias integran la denominada química prebiótica. En 1922, los bioquímicos A.I. Oparin y J.B.S. Haldane formularon simultáneamente su hipótesis sobre los procesos de evolución química que debieron producirse durante el origen de la vida. Según ellos, las moléculas orgánicas podrían formarse con los gases de la atmósfera, que reaccionarían entre sí gracias a la radiación solar. Estas nuevas moléculas orgánicas caerían a los océanos formando lo que llamaron “caldo nitritivo” o “sopa primitiva”. Las moléculas se irían asociando entre sí formando unos agregados o coacervados –que serían, en realidad, coloidales proteicos– y se produciría una selección natural en virtud de la cual los coacervados con capacidad de autosíntesis evolucionarían hacia formas más estables y complejas. La hipótesis de Oparin y Haldane fue, en parte, confirmada por el trabajo experimental de Stanley L.Miller. En los años cincuenta del siglo XX. Miller era un joven químico que trabajaba en la Universidad de Chicago bajo la dirección de H. C. Urey, nobel de Química en 1934. Miller demostró en el laboratorio, utilizando un aparato ideado por él, la posibilidad de que formaran espontáneamente moléculas orgánicas Para ello, hizo pasar vapor de agua a través de un recipiente de cristal que contenía una mezcla de gases semejante al a existente en la atmósfera primitiva: metano, amoníaco e hidrógeno. Al mismo tiempo, provocó en su interior una descarga eléctrica. El resultado fue la formación de moléculas orgánicas como el ácido aspártico, ácido glutamínico, ácido acético, ácido fórmico, urea y aminoácidos como la alanina y la glicina.

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LAS PRIMERAS CÉLULAS. El siguiente paso evolutivo tendría que ser la formación de macromoléculas. Se demostró que calentando mezclas secas de aminoácidos, estos se polimerizaban y formaban polipéptidos. Sin embargo, para que una macromolécula pudiera estar implicada en los procesos vitales, tendría que tener capacidad para autorreplicarse, ya que según Geoffrey M. Cooper: “Solamente una macromolécula capaz de dirigir la síntesis de nuevas copias de sí misma podría ser capaz de reproducirse y posteriormente evolucionar”. De las macromoléculas conocidas hoy en día, solo los ácidos nucleicos son capaces de autorreplicarse. A principios de la década de 1980, Altman y Cech demostraron que el ARN es capaz de catalizar una serie de reacciones, incluida la polimerización de nucleótidos. “El ARN era, por tanto, la única molécula capaz de servir como molde para catalizar su propia replicación”. Este primer ARN enzimático, capaz de autorriplicarse, recibió el nombre de ribozima. Actualmente, está admitido que el ARN constituyó el primer sistema genético y, por tanto, existió un “mundo ARN” en el que se debieron dar importantes pasos en la evolución química, basados en la propia replicación de las moléculas de ARN. El cocnepto del “mundo del ARN” fue acuñado por el premio nobel norteamericabno W. Gilbert en 1986. Lo que llamaríamos primera célula estaría formada por su ARN autorreplicativo, rodeado de una membrana compuesta por fosfolípidos. El ARN encerrado por esta membrana produciría su propia replicación y la síntesis de proteínas, formando el modelo celular más sencillo y primitivo. OTRAS TEORÍAS SOBRE EL ORIGEN DE LA VIDA. Una de las teorías sobre el origen de la vida es denominada teoría de la panspermia. Según esta teoría, la vida sobre nuestro planeta procedería de moléculas orgánicas procedentes del polvo interestelar cósmico, presente en los meteoritos que impactaron en la Tierra primitiva. Otra propuesta que cuenta con bastantes seguidores es la de considerar que antes del “mundo de ARN” debió existir un mundo pre-ARN, representado por la molécula PNA, similar al ARN. 167

Dentro de las propuestas que se han realizado, una de las llamativas –por su originalidad y carácter revolucionario –es planteada por Cairns-Smith sobre la existencia de una vida inorgánica previa a la orgánica que conocemos. Esta vida inorgánica procedería de arcillas que habrían actuado como catalizadoras, formando en su superficie moléculas de naturaleza orgánica. Wachterhaüser propuso la teoría del hierro-sulfuro. Se fundamenta en la existencia de chimeneas hidrotermales en los fondos oceánicos que emiten aguas sulfurosas a elevadas temperaturas. En estas zonas, existen minerales de sulfuro de hierro y níquel que pudieron catalizar la formación de las primeras biomoléculas. Sea cual sea la teoría más aceptada, toda la comunidad científica está de acuerdo en que en algún momento tuvo que ocurrir el proceso de celularización que diera lugar a la célula más primitiva. TEORÍA ENDOSIMBIONTE. Carl Woese denominó progenote o protobionte al antepasado común de todos los organismos y representante de la unidad viviente más primitiva, dotada ya con mecanismos de transcripción y traducción genética. De este tronco común surgirían en la evolución las células procarióticas, que comprenderían las arqueobacterias y las eubacterias, ya dotadas de núcleo. Lynn Margulis, en su teoría endosimbionte, propone que las células eucarióticas se originaron a partir de una primitiva célula urcariota, que en un momento englobaría a otras células u organismos procarióticos, estableciéndose entre ambos una relación endosimbionte. ORIGEN DE LAS CÉLULAS EUCARIÓTICAS. Las células procarióticas serían las precursoras de los peroxisomas (con capacidad de eliminar sustancias tóxicas), de las mitocondrias (que procederían de bacterias aerobias) y de los cloroplastos (que serían antiguas bacterias fosfosintéticas o cianobacterias). De hecho, mitocondrias y cloroplastos son similares a las bacterias en tamaño y, como ellas, se reproducen por división. Pero lo más importante es que 168

tanto mitocondrias como cloroplastos tienen su propio ADN, que codifica la síntesis de algunos de sus componentes. Los ribosomas de mitocondrias y cloroplastos son también semejantes a los procarióticos. La adquisición de estos dos tipos particulares de bacterias –precursoras de las mitocondrias y los cloroplastos– tuvo una significación fundamental, ya que la célula eucariótica adquirió la capacidad de una respiración aerobia coincidente con la capacidad fosfosintética. Asimismo, la célula primitiva le proporcionará a las procarióticas simbiontes un entorno seguro y alimento para su supervivencia. Según esta teoría, parte de los genes del ADN mitocondrial y de los cloroplastos pasarían a incorporarse a los genes del ADN de la célula huésped. Se trataría, pues, de una simbionte altamente ventajosa para los organismos implicados, ya que todos ellos habrían adquirido particularidades metabólicas que no poseían por sí mismos separadamente, y, en consecuencia, sería seleccionada en el transcurso de la evolución. Los cilios, flagelos o centriolos, las mitocondrias, los plastos y los peroxisomas tienen un origen endosimbionte y controlan su duplicación de forma independiente pero coordinada a la mitosis. La membrana nuclear, el retículo endoplasmático (liso y rugoso), el aparato de Golgi, los lisosomas y las vacuolas se originan por invaginación de la membrana.

TIPOS DE ORGANIZACIÓN CELULAR. Desde el punto de vista de la organización, las células se dividen en dos grandes grupos: procarióticas y eucarióticas. La diferencia básica y esencial entre ambos tipos es que las células procarióticas carecen de verdadero núcleo. CÉLULAS PROCARIÓTICAS. Fueron las primeras células sobre nuestro planeta y lo ocuparon en exclusiva durante 2000 M.a., antes de la aparición de las células eucarióticas. Comprenden dos phyla: 169

arqueobacterias y eubacterias. Las arqueobacterias incluyen a las llamadas bacterias extremófilas, debido a que habitan en ambientes con condiciones extremas por su elevada salinidad, temperaturas muy altas o muy bajas, acidez, alcalinidad, etc. En general, las células procarióticas suelen ser muy pequeñas, aunque pueden llegar a alcanzar 60µn. Poseen una membrana recubierta de pared celular de composición variable, dependiendo del grupo: a veces, por encima de ella puede existir una cápsula o vaina gelatinosa. El citoplasma posee dos regiones bien diferenciadas: una en donde se halla el material genético, denominado nucleoide o cromosoma bacteriano, y el citoplasma restante, de aspecto homogéneo, donde destacan los ribosomas. El citoplasma carece de citoesqueleto y de sistema de endomembranas. Pueden presentar flagelos y se dividen por fisión binaria. Una de las características de las células procarióticas es la diversidad morfológica que presentan. Según su forma, se distinguen bacilos, cocos, espirilos y vibrios.

ESTRUCTURA GENERAL DE UNA CÉLULA PROCARIÓTICA. Como modelo de estudio de una típica célula procariótica se suele recurrir a la Escherichia coli, una bacteria ampliamente estudiada que normalmente habita en nuestro tracto intestinal. Presenta una forma bacilar o abastonada, de tamaño pequeño, con 1µm longitud. •

Citoplasma. Está prácticamente desprovisto de estructuras membranas, con la única excepción de los ribozimas. En este citoplasma se han contabilizado cerca de 30 000 ribosomas que participan en la síntesis de proteínas.

•

Nucleoides. Moléculas de ADN, simple, circular y sin membrana alguna que lo separa del resto del citoplasma. La longitud total de ADN en una célula procariótica que oscila entre los 0.25 mm y casi 3mm; cantidad suficiente para codificar miles de proteínas.

170

•

Mesosomas. Replegamientos de la membrana plasmática, cuya función es contener algunas enzimas que intervienen en los procesos de respiración y división celular.

•

Membrana plasmática. Envoltura de naturaleza lipoproteína.

•

Pared celular rígida. Está compuesta por polisacáridos y péptidos, y rodea a la membrana plasmática.

•

Cápsula o glucocálix. Cubierta de naturaleza glucídica que presentan algunas células, y rodea a la pared rígida.

•

Fimbra. Estructuras más cortas y cortas y numerosas de los pili. Su función parece estar relacionada con la adherencia a sustratos.

•

Pili. Estructuras parecidas a los flagelos, aunque más numerosos. Su función está relacionada con el intercambio de ADN.

•

Flagelos. Las células procarióticas presentan uno dos flagelos de estructura simple, que permiten su locomoción en el medio que las rodea.

CÉLULAS EUCARIÓTICAS. Las células eucarióticas son mucho más complejos que las procarióticas, tanto estructural como funcionalmente. Al igual que las procarióticas, tienen membrana plasmática y ribosomas, pero, sin embargo, se diferencian de ellas por la presencia de núcleo, orgánulos citoplasmáticos y citoesqueleto. Clásicamente, se considera al núcleo como la estructura diferenciadora entre las células eucarióticas y las procarióticas. La presencia de orgánulos citoplasmáticos provoca una compartimentación del territorio celular, originando espacios en los que tienen un lugar actividades metabólicas concretas, haciendo con ello más eficaz su función. Los conceptos de compartimentación y polaridad han ido estrechamente vinculados a la evolución celular. La compartimentación supone una división territorial dentro de la propia célula, lo que le permite desarrollar diferentes funciones al mismo tiempo; cada uno de estos territorios está delimitado por una membrana. Al compartimiento se le define como “entidad funcional”. La polaridad se define como la ordenación específica que

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presentan los orgánulos en algunas células. No todas las células presentan polaridad, pero en otras es indispensable.

ESTRUCTURA GENERAL DE UNA CÉLULA VEGETAL Y UNA ANIMAL. CÉLULA VEGETAL: •

Cloroplastos. Son orgánulos específicos de las células vegetales, y en su interior se realiza la fotosíntesis.

•

Pared celular. Cubierta externa que actúa como exoesqueleto. Es gruesa y rígida, y la desarrollan las células vegetales sobre la membrana plasmática.

CÉLULA ANIMAL: •

Centrosoma. Estructura sin membrana, presente en células animales. Es el centro organizador de los microtúbulos.

AMBOS. •

Mitocondrias. Orgánulos presentes en todas las células eucarióticas, en cuyo interior se lleva a cabo el metabolismo oxidativo, durante el cual se forman la mayoría de las moléculas de ATP.

•

Lisosomas

y peroxisomas. Proporcionan compartimentos metabólicos

especializados en la digestión y en la oxidación de algunas macromoléculas. •

Vacuolas. La mayor parte de las células vegetales presentan grandes vacuolas que desempeñan funciones tan diversas como la digestión de macromoléculas y el almacenamiento de nutrientes, o bien de sustancias de desecho.

•

Citoesqueleto. Es fundamental en la estructura y función de la célula eucariótica. Se trata de una red de filamentos proteicos que se extiende por todo el citoplasma, desde la membrana nuclear hasta la membrana plasmática. Es el responsable de la forma de la célula, de la distribución de los orgánulos y de los movimientos de las células, de las vesículas intracelulares e incluso de los cromosomas durante la mitosis.

172

•

Núcleo. Orgánulo presente en todas las células eucarióticas, que alberga en su interior la información genética en forma de ADN.

•

Retículo endoplasmático y complejo de Golgi. Están especializados en el transporte de proteínas y en la síntesis de lípidos destinados a la secreción, incorporación a la membrana plasmática o incorporación a los lisosomas.

FORMA Y TAMAÑO DE LAS CÉLULAS. Las células presentan una enorme diversidad morfológica; por tanto, no es correcta la simplificación generalizada que reduce la morfología celular a la que pertenece, de su edad y de su momento funcional. También está condicionada por su situación, es decir, si se encuentra libre, formando tejidos o en cultivo. En general, puede decirse que la forma de una célula es la que le permite llevar a cabo su función con el mínimo gasto energético. MORFOLOGÍA DE LAS CÉLULAS ANIMALES. Al analizar los diferentes tejidos animales, se puede observar la diversidad morfología que presentan sus células. TEJIDO EPITELIAL. Sus células pueden presentar formas aplanadas, cúbicas, prismáticas o calciformes. TEJIDO MUSCULAR. Las células musculares –tanto lisas como estriadas- tienen un aspecto alargado, por lo que se denominan fibras. TEJIDOS CONJUNTIVOS. Sus células presentan una amplia variedad morfológica: los fibrocitos son fusiformes, los osteocitos son estrellados, los eritrocitos tienen forma de disco bicóncavo, los linfocitos son esféricos, etc. TEJIDO NERVIOSO. Sus células presentan aspecto estrellado, pero existen formas de tipo piramidal, en candelabro y fusiformes.

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MORFOLOGÍA DE LAS CÉLULAS VEGETALES. Tienen menor diversidad morfológica que las animales, debido a la presencia de la pared que las rodea. Presentan formas cúbicas, prismáticas, poliédricas, redondeadas, semilunares o alargadas. TEJIDOS PARENQUIMÁTICOS. Las células en estos tejidos tienen formas poliédricas o prismáticas. TEJIDOS CONDUCTORES. En xilema y floema, los tipos celulares son alargados y reciben el nombre de fibras. TEJIDOS SECRETARIOS. En estos tejidos abundan las células redondeadas. MORFOLOGÍA DE LOS ORGANISMOS UNICELULARES. Entre los seres unicelulares, la diversidad morfológica es también muy amplia e incluso, como ocurre en el caso de las bacterias, puede servir de criterio taxonómico para su clasificación. TAMAÑO CELULAR El tamaño de cada célula en general se puede definir como microscópico, es decir, se requiere el microscopio óptico para su observación. El tamaño celular es el de su soma o territorio que contiene el núcleo, y no el de sus prolongaciones. Sin embargo, has que tener en cuenta, por ejemplo, que determinadas motoneuronas situadas en el asta ventral de la región sacra de la médula espinal envían sus axones hasta el final de las extremidades posteriores. Las dimensiones celulares oscilan entre límites bastantes restringidos, en comparación con las grandes diferencias de tamaño existentes entre los animales y los vegetales de distintas tamaño tienen igual magnitud; es decir, una célula hepática o hepatocito mide aproximadamente lo mismo, independientemente si se trata de un hepatocito de ratón o de humano.

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La mayoría de las células suelen tener un diámetro medio comprendido entre las 10 mµ. En el caso de las células nerviosas, o neuronas, existe todo un gradiente de tamaño, que oscila entre las 2,5 mµ de las células grano del cerebelo hasta las 100 mµ de las grandes neuronas piramidales de las capas profundas de la corteza cerebral. Entre los linfocitos, también existe una gran variedad de tamaño; de hecho, se clasifican de acuerdo a esta característica en pequeños, de unas 5mµ; medianos, de unas 7 mµ; y grandes, de unas 10 mµ de diámetro. Las diferencias de tamaño existentes entre los organismos vegetales y animales no dependen del tamaño de sus células, que es prácticamente constante, sino de número de estas (ley de Driesch de la magnitud celular constante). Pese al carácter microscópico de la mayoría de las células, a veces, determinados tipos celulares presentan un extraordinario tamaño. Por ejemplo, algunas células glandulares de insectos pueden llegar a medir 1,5 mm de diámetro; la célula más grande que se conoce hoy día corresponde al óvulo del avestruz. El diámetro de este óvulo puede medir 85mm, y se calcula que en algunas especies de aves extinguidas, la célula huevo podía llegar a medir 165 mm. Estos tamaños son debidos al extraordinario acumulo de sustancias en el vitelo, como elementos de reserva, en el seno del citoplasma.

EL NÚCLEO En 1830, Brown estableció que el núcleo era una constante dentro de la estructura celular; pero hoy día, aun manteniendo este concepto, hay que precisar que esto es así solo en las células eucarióticas, tanto vegetales como animales. El núcleo, como orgánulo celular, alberga en su interior la información genética en forma de ADN, y es el lugar donde se realiza la replicación del ADN y la síntesis de todos los ARN. Estructuralmente, el aspecto del núcleo depende del momento del ciclo celular en el que se encuentre la célula: se habla de núcleo interfásico cuando la célula no está en fase de división, y de núcleo mitótico cuando se diferencian los cromosomas.

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CARACTERÍSTICAS DEL NÚCLEO. Está presente en todas las células eucarióticas, excepto en los glóbulos rojos de los vertebrados superiores y en las células epidérmicas del estrato córneo superficial. •

Componentes. El núcleo consta de una envoltura nuclear y una matriz nuclear o nucleoplasma, en cuyo seno se encuentran la cromatina y el nucléolo.

•

Forma. Es muy variable (esférica, ovalada, o polilobulada); depende del tipo de célula y del momento del ciclo en el que está.

•

Tamaño. Puede oscilar entre las 5 y las 25 µm de diámetro, pero dentro de un mismo tipo de célula es constante. Generalmente, el tamaño del núcleo es proporcional al que tiene la célula, ocupando normalmente un 10% del volumen total de esta.

•

Posición. La posición del núcleo es característica de cada célula. En las células embrionarias ocupa una posición central; en las adiposas, ocupadas en su mayoría por una gran gota de grasa, el núcleo queda laterizado; en las secretoras se sitúa basalmente entre él y el polo secretor.

•

Número. Suele haber un núcleo por célula, pero existen algunas excepciones. Existen células anucleadas –como por ejemplo los eritrocitos

de los

mamíferos- que han perdido el núcleo durante su proceso de diferenciación, y otras como los paramecios, que de manera constante presentan dos núcleos: un macronúcleo y un micronúcleo. En los hepatocitos también es normal la situación binucleada, mientras que los osteoblastos y las células musculares estriadas esqueléticas son plurinucleadas. La condición plurinucleada de algunas células puede originarse mediante dos mecanismos: o División sucesiva de un primitivo núcleo sin que ocurra la consiguiente división celular, dando origen a una célula denominada plasmodio. o Fusión de varas células uninucleasas, llamándose sincito a la resultante.

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LA ENVOLTURA NUCLEAR. La envoltura nuclear representa una compleja organización en la frontera entre el núcleo y el citoplasma de una célula eucariótica. Con el microscopio óptico, la envoltura nuclear se observa solo como un límite entre el citoplasma y el núcleo, pero con el microscopio electrónico se aprecia que, en realidad, es una doble membrana con un espacio intermembranoso. •

La membrana nuclear externa. Sobre su cara externa o citoplasmática presenta ribosomas adosados. Esta membrana suele estar unida a la del retículo endoplasmático, sea liso o rugoso.

•

El espacio perinuclear o intermembranoso. Se encuentra en continuidad con el espacio reticular.

•

La membrana nuclear interna presenta, asociado a ella y en la cara nucleoplasmática, un material electrodenso de naturaleza fibrilar denominado lámina fibrosa o corteza nuclear. Sirve de anclaje al material cromatínico y regular el crecimiento de la envoltura nuclear.

POROS NUCLEARES. En todos los núcleos, las dos membranas que forman la envoltura nuclear se fusionan en algunos lugares, dando origen a unas perforaciones circulares denominadas poros nucleares que, para cada tipo de célula, presentan el mimo diámetro. Se trata de estructuras dinámicas, capaces de formarse y desaparecer dependiendo del estado funcional de la propia célula. Son canales acuosos que regulan los intercambios de moléculas entre núcleos y el citosol. Permiten la circulación libre de moléculas hidrosolubles, y en el caso de macromoléculas como el ARN o las proteínas, que no son hidrosolubles, regulan mecanismos de transporte activo.

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LA CROMATINA. En el núcleo de las células eucarióticas, el ADN está asociado a proteínas formando una estructura empaquetada y compacta denominada cromatina, que representa el genoma de las células eucarióticas. Debe su nombre a la facilidad con la que se tiñe con los colorantes básicos utilizados en microscopía óptica. CARACTERÍSTICAS. La cromatina consta de ADN y proteínas. Las proteínas pueden ser de dos tipos: •

Histonas. Las histonas son proteínas muy básicas, debido a la abundante presencia de los aminoácidos –cargados positivamente- arginina y lisina. Se han descrito cinco clases de histonas: H1, H2A, H3, y H4, todas ellas de bajo peso molecular.

•

No histonas. En contraste con el escaso número de proteínas histónicas, son muy numerosas las proteínas no histónicas que se han aislado de la cromatina. Aproximadamente, la mitad corresponden a enzimas implicadas en la replicación, la transcripción y la regulación del ADN.

ULTRAESTRUCTURA. La observación de la cromática al microscopio electrónica revela una constitución fibrilar. Se trata de una serie de fibras adosadas unas a otras en forma de espiral, que reciben el nombre de fibras cromatínicas o nucleosómas de 30 nm. Si se somete la cromatina a tratamientos de descondensación, cada fibra cromatinica aislada presenta el aspecto de un “collar de cuentas”. A cada cuenta –con forma esférica, discontinua o ligeramente cilídrica-, Dudet y sus colaboradores le dieron el nombre de nucleosoma. Estos nucleosomas tienen un diámetro de 10nm y están relacionados entre sí por una fibrilla de 2 µm de diámetro, que se corresponde con el espesor de una doble hélice de ADN.

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Cada nucleosoma consta de un núcleo o platisoma y de un filamento de ADN que lo rodea; cada núcleo está formado por un octámero de histonas. La histona H1 no forma parte de nucleosoma, sino que se une a los segmentos de ADN que relacionan los nucleosomas. En la actualidad, se admite que la fibra de cromatina tiene una estructura plegada en forma de solenoide con distintos grados de espiralización. En la espiralización de primer grado, las fibras cromatínicas se compactan hasta presentar el diámetro de 30nm, localizándose la histona H1 uniendo los nucleosomas en la cara interna del solenoide. Esta fibra puede sufrir una espiralización de segunda grado con un diámetro de 300 nm, y así sucesivamente hasta llegar a la “superespiralización” en el momento de iniciar la mitosis, en el que la cromatina se compacta para formar los cromosomas.

TIPOS DE CROMATINA. •

Eucromatina. Es la más abundante en la interfase y se corresponde con la cromatina menos compactada, ocupando la mayor parte de los llamados espacios intercromatínicos.

•

Heterocromatina. Es la cromatina de mayor grado de compactación y aparece en la interfase como agrupaciones condensadas teñidas: los cromocentros.

EL NUCLEOPLASMA Y EL NUCLÉOLO. NUCLEOPLASMA. También llamado carioplasma o matriz nuclear. Es una matriz semifluida situada en el interior del núcleo, que contiene tanto el material cromatínico (ADN y proteínas cromosomales) como el no cromatínico (proteínas). Consta de varios componentes:

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•

Los orgánulos de intercromatina. Se encuentran diseminados por todo el núcleo.

•

Los gránulos de pericromatina. Se localizan en la periferia de la cromatina. Están formados por fibrillas densamente empaquetadas de ARNr de bajo peso molecular.

•

Las partículas de ribonucleoproteína nucleares pequeñas.

NUCLÉOLO. Generalmente hay uno en cada núcleo. Es un orgánulo más o menos redondeado, muy refringente, basófilo debido a su alto contenido en ARN y proteínas, y, generalmente, localizado próximo a la envoltura nuclear. Solo se observa con el microscopio óptico durante el periodo interfásico, ya que durante la mitosis desaparece al mismo tiempo. Aparece de nuevo, posteriormente, durante la telofase. •

Funciones del nucléolo. En el nucléolo se realiza la síntesis del ARNr y el procesado y empaquetamiento de subunidades ribosomales.

•

Ultraestructura del nucléolo. No hay membranas y está formado por un componente estrictamente nucleolar y un componente nuclear o cromatina asociada.

LOS CROMOSOMAS. Los cromosomas representan la máxima compactación de la cromatina. Fueron descritos por primera vez en las células madre de los granos de polen. Cada molécula de ADN es hasta 50 000 veces más corta que en su forma extendida. Esta máxima condensación es la que permite el reparto del material genético entre las células hijas. Según las hipótesis actuales, los cromosomas estarían formados por varios dominios estructurales en forma de bucle, que extenderían a partir de un eje principal alrededor 180

del cual se dispondría la fibra nucleosómica de manera espiralada, dando lugar a los sucesivos bucles. ESTRUCTURA DEL CROMOSOMA METAFÁSICO. El cromosoma metafásico es el más estudiado y del que mejor se conoce su estructura. Está constituido por dos cromatinas paralelas entre sí, resultado de la duplicación del material genético, y separadas –excepto en el ámbito del centrómero- por donde permanecen unidas. En cada cromosoma se identifican las siguientes estructuras: •

El centrómero o constitución primaria. Divide al cromosoma en dos brazos, que pueden ser del mismo o de diferente tamaño; ocupa una posición variable, pero fija cada uno de ellos a lo largo del cromosoma. Los centrómeros contienen heterocromatina constitutiva, es decir, cromatina compactada y genéticamente inactiva en todas las células. A ambos lados del centrómero y sobre una de las dos cromátidas, se localizada una estructura proteica denominada cinetócoro que constituye los puntos desde los cuales polimerizan los microtúbulos que intervienen en la separación de los cromosomas durante la anafase de la mitosis y de la meiosis. Por cada centrómero aparecen dos cinetócoros.

•

Las constricciones secundarias u organizadores nucleolares. Son zonas más estrechas identificables

en los brazos, y que están relacionadas con la

formación del nucléolo al final de cada mitosis. •

Los telómeros. Son estructuras protectoras, situadas en cada uno de los extremos del cromosoma eucariótico, que evitan que se pierda uno de los extremos en cada ciclo de replicación

•

Las bandas son segmentos de cromatina que se colorean con diferente intensidad y que permiten una identificación inequívoca de los cromosomas mediante el llamado método de patrón de bandas. Este método se basa en la utilización de diversas técnicas de coloración.

181

TIPOS DE CROMOSOMAS. Cuando se estudian los cromosomas, resulta muy útil utilizar dos índices de proporcionalidad que relacionan la longitud total, la longitud del brazo corto y la longitud del brazo largo del cromosoma. •

Índice de proporcionalidad de brazos. Indica la relación que existe entre la longitud del brazo corto y el brazo largo de un mismo cromosoma.

•

Índice de proporcionalidad centromérica. Indica la relación entre la longitud del brazo corto y la longitud total de cromosoma.

En función de la posición que ocupe el centrómero y el valor de estos índices de proporcionalidad, se distinguen cuatro tipos de cromosomas: Metacéntricos. El centrómero ocupa una posición medial. Los dos brazos son de igual o similar longitud. Cuando se separan las cromátidas durante la anafase, adquieren forma de V. Submetacéntricos. El centrómero ocupa una posición submedial. Uno de los brazos tiene un tamaño igualmente superior, Cuando se separan las cromátidas en la anafase adquieren forma de L. Acrocéntricos. El centrómero ocupa una posición subterminal. Uno de los brazos es muy largo, mientras que el otro es muy corto. Telocentros. EL centrómero ocupa uno de los extremos del cromosoma. Esto da lugar a un cromosoma que posee un único brazo. NUMERO DE CROMOSOMAS El número de cromosomas diferentes de una determinada célula es una constante para todas las que pertenecen a un mismo organismo. La mayoría de los organismos, tanto animales como vegetales, son diploides, es decir, tienen un sus células dos juegos de cromosomas, uno heredado del padre y otro heredado de la madre. Los cromosomas forman parejas de homólogos que contienen información genética para los mismos caracteres. En estos organismos, sus células

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reproductoras o gametos, tanto el óvulo como el espermatozoide. Solo presentan un juego de cromosomas. Son, por tanto, células haploides. También existen organismos en los que todas las células son haploides; por ejemplo, algunas algas y la fase gametofótoca de los helechos y musgos. Además, existen organismos que tienen en sus células más de dos juegos de cromosomas. A los que tienen tres se les denomina triploides; a los que tienen cuatro, tetraploides, y a los que tienen más, poliploides. El número de cromosomas no guarda relación alguna con el nivel evolutivo alcanzado por la especie; la especie humana cuenta con 46 cromosomas, mientras que algunos protoctistas llegan a tener más de 300. Al

conjunto

de

todos

los

cromosomas

de

una

célula,

representados

fotomicrográficamente, se le denomina cariotipo. Dentro del cariotipo se distinguen dos tipos de cromosomas: •

Los cromosomas somáticos o autosomas, comunes en los dos géneros de la misma especie e implicados en desarrollar las características del soma o del cuerpo.

•

Los cromosomas sexuales o gonosomas, responsables por número, presencia o ausencia, de la determinación del sexo. Los cromosomas sexuales humanos son el X y el Y, de menor tamaño.

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LA MEMBRANA PLASMÁTICA Y OTROS ORGÁNULOS MEMBRANOSOS. LA CÉLULA COMO SISTEMA DE MEMBRANAS La célula procariótica posee un único compartimento, el citosol, limitado por una membrana celular. En el transcurso de la evolución, una invaginación de la membrana celular –asociada a un modo de nutrición por fagocitosis- habría desencadenado un comportamiento superior de la célula ancestral, dando lugar a una célula eucariótica. Esta célula se caracteriza por la presencia de un verdadero núcleo y nos orgánulos citoplasmáticos limitados por membranas intracelulares. Este conjunto de membranas limitantes del núcleo y de los orgánulos explica el comportamiento total de la célula, que permite la especialización funcional de los orgánulos. Es más, la asociación de los diferentes comportamientos es necesaria e imprescindible para el funcionamiento integrado de toda la célula. En todos ellos, se realizan simultáneamente variados y complejos procesos metabólicos mediante reacciones bioquímicas, que no podrían realizarse en el mismo espacio por ser incompatibles entre sí. En general, en cualquier célula eucariótica se pueden distinguir dos formas de compartimentación: •

Sistemas internos de membrana. Formados por el retículo endoplasmático que es la continuación de la membrana nuclear y el complejo o aparato de Golgi.

•

Orgánulos membranosos. Entre ellos se encuentran el núcleo, las mitocondrias, los plastos, los peroxisomas, los lisosomas y las vacuolas.

La compartimentación de la célula precursora de la eucariótica supuso un importante paso evolutivo. Originariamente, esta célula ancestral poseía una única membrana celular que era la encargada de realizar todas las funciones asociadas a las actuales estructuras membranosas, como la obtención de energía, la síntesis proteica y lipídica, la síntesis de ATP, etc.

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Teniendo en cuenta que cualquier célula eucariótica tiene un tamaño entre 1000 y 10 000 veces superior al de cualquier célula procariótica, la única forma de conseguir este aumento de tamaño pudo ser mediante el desarrollo de sistemas de membranas internos, capaces de realizar todas aquellas funciones que originalmente realizaba la membrana celular. La evolución de estos sistemas de membrana se pudo realizar de dos maneras: 1. A partir de invaginaciones de la membrana celular que habrían dado lugar a la membrana nuclear, el retículo endoplasmático, el aparato de Golgi, los endosomas y los lisosomas. De esta forma, se podría explicar la compleja red de comunicaciones que existe entre los componentes de este entramado de endomembranas con los demás orgánulos y el exterior celular. 2. A partir de relaciones de simbiosis entre las primitivas células y bacterias que fueron ingeridas (endocitadas) por estas. Esta teoría explicaría el hecho de que tanto las mitocondrias como los cloroplastos tengan doble membrana, además de un genoma propio capaz de sintetizar algunas proteínas. Esta especial simbiosis es la base que sirvió a Lynn Margulis para enunciar la teoría endosimbionte sobre el origen de las células eucarióticas.

LA MEMBRANA PLASMÁTICA. COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA. La membrana plasmática, citoplasmática o plasmalema representa el límite entre el medio extracelular y el intracelular. Debido a su reducido grosor; de unos 7,5 nm, no es observable al microscopio óptico; solo se observa con el microscopio electrónico de transmisión. COMPOSICIÓN QUÍMICA. Del análisis bioquímico de las membranas plasmáticas aisladas se deduce que están compuestas por lípidos, proteínas y en menor cantidad, glúcidos.

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•

Lípidos. Las membranas biológicas de todas las células eucarióticas están constituidas por tres tipos de lípidos: fosfolípidos, glucolípidos y esteroles (entre los que se encuentra el colesterol). Todo ellos tienen carácter anfipático y, por tanto, cuando se encuentran en un medio acuoso se orientan formando micelas esféricas o bicapas lipídicas. Estos lípidos se distribuyen en la membrana de una manera asimétrica y heterogénea, existiendo zonas más o menos fluidos según el tipo de lípidos. La membrana plasmática no es una estructura estática, ya que los lípidos que la componen tienen posibilidad de movimiento, lo que le proporciona una cierta fluidez o viscosidad. Movimientos que pueden realizar los lípidos. o De rotación. Supone el giro de la molécula lipídica en torno a su eje mayor. Es muy frecuente, y es el responsable, en gran medida, de los otros dos movimientos. o De difusión lateral. Las moléculas lipídicas pueden difundirse libremente de manera lateral dentro de la bicapa. Es el movimiento más frecuente. o Flip-flop. Es el movimiento de la molécula lipídica de una monocapa a la otra gracias a unas enzimas llamadas flipasas. Es el movimiento menos frecuente, por ser desfavorable enérgicamente. La fluidez es una de las características más importantes de las membranas. Depende de factores como la temperatura (la fluidez aumenta al incrementarse la temperatura), la naturaleza de los lípidos (la presencia de lípidos insaturados y de cadena corta favorece el aumento de la fluidez) y la presencia de colesterol (endurece las membranas, reduciendo su fluidez y permeabilidad). Der la fluidez dependen importantes funciones de la membrana, como el transporte, la adhesión celular o la función inmunitaria. Por ello, las membranas poseen mecanismos de adaptación homeoviscosas encargados de mantener la fluidez.

186

•

Proteínas. Las proteínas confieren a la membrana sus funciones específicas, y son características de cada especie. Al igual que los lípidos, poseen un movimiento de difusión lateral, con lo que contribuyen a la fluidez de la membrana. La mayoría de ellas tienen estructura globular, y se pueden clasificar según sea el lugar que ocupen en la membrana. o Proteínas transmembranales o intrínsecas. Representan entre el 50% y el 70% de las totales de membrana. Se hallan inmersas en las bicapas lipídicas y reciben este nombre porque pueden atravesar totalmente la membrana y sobresalir a ambos lados de la misma. o Proteínas periféricas o extrínsecas. No atraviesan la bicapa y están situadas tanto en el exterior como en el interior. Se encuentran unidas a los lípidos de la bicapa mediante enlaces covalentes, o a las proteínas transmembranales por enlaces de hidrógeno.

•

Glúcidos. Están representados, en su mayoría, por oligosacáridos unidos covalentemente a los dominios extracelulares de las proteínas y de los lípidos, formando glucoproteínas y glucolípidos. Su distribución es asimétrica y solo se localizan en la cara externa de la membrana plasmática de las células eucarióticas. Constituyen la cubierta celular o glucocalix, a la que se atribuyen funciones fundamentales: o Protege la superficie de las células de posibles lesiones. o Se relaciona con las moléculas de la matriz extracelular. o Confiere viscosidad a las superficies celulares, permitiendo el deslizamiento de células en movimiento, como por ejemplo las sanguíneas. o Presenta propiedades inmunitarias, dado que los glúcidos constituyentes del glucocálix de los eritrocitos representan los antígenos características de los grupos sanguíneos. o Interviene

en

los

fenómenos

de

reconocimiento

celular,

particularmente importantes durante el desarrollo embrionario.

187

o Contribuye al reconocimiento y fijación de determinadas sustancias que la célula incorporará mediante fagocitosis o pinocitosis. ESTRUCTURA DE LA MEMBRANA Con los datos obtenidos con la microscopía electrónica y los análisis bioquímidos se han ido elaborando diversos modelos de la membrana plasmática a lo largo del desarrollo de la biología celular. En la actualidad, el modelo más aceptado es el propuesto por Singer y Nicholson, denominado modelo del mosaico fluido, que presenta las siguientes características: •

Considera a la membrana como un mosaico fluido en que la bicapa lipídica es la red cementante y las proteínas están embebidas en ella, interaccionando unas con otras y, a su vez, con los lípidos. Tanto las proteínas como los lípidos pueden desplazarse lateralmente.

•

Los lípidos y las proteínas integrales se hallan dispuestos en mosaicos.

•

Las membranas son estructurales asimétricas en cuando a la distribución de todos sus componentes químicos: lípidos, proteínas y glúcidos.

Pese a ser el modelo más complejo existente hasta la fecha, la realidad es que presenta algunas limitaciones, dado que la libre difusión y proteínas en el plano de la membrana no es del todo cierta.

FISIOLOGÍA DE LA MEMBRANA. La membrana actúa como un filtro selectivo bidireccional. Debido a su interior hidrofóbico, impide prácticamente el paso de todas las moléculas solubles en agua. Sin embargo, su permeabilidad selectiva permite la salida de catabolitos y de algunas sustancias de síntesis, y la entrada hacia el citosol de las sustancias necesarias para el correcto funcionamiento celular.

188

FUNCIONES DE LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS. La comunicación de la célula con el medio extracelular está medida por la membrana plasmática que la rodea y que debe permitir el intercambio de moléculas necesarias para la vida celular. La membrana contiene, por tanto, los mecanismos para transportar físicamente moléculas, permitiendo que la célula tome los metabolitos necesarios para su metabolismo, construya sus macromoléculas y además, libere los productos del catabolismo celular y las sustancias de secreción. La membrana actúa como una barrera semipermeable, permitiendo el paso, mediante mecanismos diversos, de determinadas sustancias a favor o en contra de un gradiente de concentración, osmótico o eléctrico. En esencia, las funciones de la membrana son: •

Intercambio de sustancias, lo que implica un transporte iónico y molécular, y un transporte macromolecular que se realiza mediante los siguientes mecanismos: fagocitosis, endocitosis, pinocitosis, endocitosis meidada y exocitosis.

•

Reconocimiento de la información de origen extracelular y transmisión del medio intracelular.

•

Reconocimiento y adhesión celular.

RECEPTORES DE MEMBRANA. La transducción de señales es la respuesta de la célula a estímulos externos; la membrana desempeña un papel importante en este proceso. Las células son capaces de responder a estímulos y señales externas gracias a moléculas situadas en la membrana plasmática, denominadas receptores de membrana. Estas moléculas, de naturaleza generalmente proteica, reconocen de forma específica a una determinada molécula-mensaje. Las células dotadas con receptores de membrana reciben el nombre de células diana. La actividad fisiológica de las células diana se ve afectada por un solo tipo de molécula-mensaje. Sin embargo, una misma molécula-mensaje puede interactuar 189

con

varios

receptores.

Las

moléculas-mensaje

pueden

ser

hormonas,

neurotransmisores o factores químicos, entre los que se encuentran los factores de crecimiento. A la moléculas-mensaje se la denominada primer mensajero, y al unirse a su receptor de membrana induce en este un cambio en la conformación molecular que produce unas señal de activación de una molécula o segundo mensajero. Este actúa estimulando o deprimiendo alguna actividad bioquímica. Entre las moléculas que actúan como segundo mensajeros se encuentran el AMP cíclico y el GMP cíclico.

TRANSPORTE DE MOLÉCULAS DE POCA MASA MOLECULAR. El transporte de moléculas de poca masa molecular se lleva a cabo mediante transporte pasivo o activo, según se realice a favor o en contra de gradiente; en todos los casos, intervienen proteínas de la membrana plasmática. TRANSPORTE PASIVO. Se efectúa a favor de gradiente y, por tanto, sin comisión de energía. Existen dos mecanismos: •

Difusión simple. Gracias a este mecanismo atraviesan la membrana sustancias solubles en ella, como O2, CO2, etanol, urea, etc., deslizándose entre los lípidos. Se tratan de moléculas sin carga o con carga neta cero.

•

Difusión facilitada. Se transportan moléculas polares, como glúcidos, nucleótidos, aminoácidos, etc. Siempre se produce a favor de gradiente, que en el caso de los iones es un gradiente electroquímico. Este transporte se lleva a cabo a través de las llamadas proteínas transportadoras o carriers, que se unen a la molécula que se va a trasportar, y sufren cambios conformacionales que permiten la transferencia de la molécula de un lado a otro de la membrana.

Otras proteínas de la membrana, llamadas

proteínas canal, forman “canales acuosos” a través de la bicapa lipídica que permiten el paso de sustancias con carga eléctrica, incluyendo pequeñas 190

sustancias con carga eléctrica, incluyendo pequeños iones, a favor del gradiente de concentración TRANSPORTE ACTIVO. Se realiza en contra de gradiente –ya sea de concentración, de presión osmótica, o bien eléctrico-, e implica un consumo de energía. Solo pueden realizarlo algunos tipos de proteínas especializadas, también denominadas bombas. BOMBA DE SODIO-POTASIO La bomba de sodio-potasio es uno de los mecanismos más importantes de este tipo de transporte. La mayor parte de las células animales tienen en su medio interno una elevada concentración de iones K+, mientras que la de Na+ es superior en el medio extracelular. Las diferencias de concentración se deben a la actividad de la bomba de Na+/K+, que bombea de manera simultánea tres iones Na+ hacia el exterior y dos iones K+ hacia el interior, en contra del gradiente de concentración; para ello, se necesita consumir la energía liberada en la hidrólisis del ATP. La bomba de Na+/K+ también tiene actividad enzimática ATPasa. Desde el punto de vista estructural, la bomba de Na+/K+ está constituida por un tetrámero que consta de dos subunidades: una subunidad grande, llamada α, que se encarga del transporte, y una subunidad más pequeña, ß, que mantiene la bomba unida a la membrana. Esta segunda es una glucoproteína. La bomba es responsable del mantenimiento del potencial de membrana, que es la diferencia de carga eléctrica entre los lados de la membrana, es decir, entre la matriz extracelular y el citoplasma. El exterior de la membrana es positivo, frente al interior, que es negativo. También regula el volumen celular e interviene en otros sistemas de transporte, debido a que en algunas células es capaz de trasportar glucosa y aminoácidos desde el exterior al interior. TRANSPORTE DE MOLÉCULAS DE ELEVADA MASA MOLECULAR. 191

Para el transporte de este tipo de moléculas, existen tres mecanismos principales: endocitosis, exocitosis y transcitosis. En cualquiera de ellos es fundamental el papel que desempeñan las llamadas vesículas revestidas. Estas vesículas tienen un tamaño que oscila entre 50 y 200 nm de diámetro, y al microscopio electrónico se observan como vesículas rodeadas por una red de microfilamentos proteicos de clatrina, y otros polipéptidos menores que le dan un aspecto aterciopelado. ENDOCITOSIS. Es el proceso por el que la célula capta partículas del medio externo; lo hace mediante una invaginación de la membrana en la que se engloba la partícula para ingerir y se produce la estrangulación de la invaginación, originándose una vesícula para que el material ingerido. Los lisosomas se unen a las vesículas para el material ingerido sea degradado y utilizado posteriormente por la célula. Según la naturaleza y el tamaño de las partículas englobadas, se distinguen diversos tipos de endocitosis. •

Pinocitosis o endocitosis de fase fluida. Implica la ingestión de líquidos y partículas en disolución por pequeñas vesículas revestidas de clatrina (de diámetro inferior a 150 nm).

•

Fagocitosis o endocitosis de fase sólida. Se forman grandes vesículas revestidas (de diámetro mayor de 250 nm) o fagosomas que ingieren microorganismos y restos celulares.

•

Endocitosis mediada por receptor. La endocitosis mediada por receptor es un mecanismo en el que solo se endocita la sustancia para la cual existe el correspondiente receptor en la membrana. Una vez formado el complejo ligando-receptor, se forma la correspondiente vesícula revestida, que sufrirá diversos procesos en el interior celular. Es

un

procedimiento

característico

para

la

incorporación

de

macromoléculas como la insulina, el colesterol o el hierro, que pueden estar presentes en concentraciones no muy altas en el medio extracelular. Esta modalidad de endocitosis es típica de células como los macrófagos, los histiocitos o los neutrófilos.

192

EXOCITOSIS. Es el mecanismo por el que las macromoléculas contenidas en vesículas citoplámicas son transportadas desde el interior celular hasta la membrana plasmática para ser vertidas al medio extracelular. Este vertido requiere que la membrana de la vesícula y la membrana plasmática se fusionen, generando un poro a través del cual se puede liberar el contenido de la vesícula citoplasmática. Es este proceso es necesaria la colaboración del calcio y de proteínas como las anexinas y la calmodulina. MECANISMO DE LA EXOCITOSIS. Cuando una vesícula secretora se fusiona con la membrana plasmática para descargar su contenido, la superficie interna de la membrana de la vesícula se convierte en la superficie externa de la membrana plasmática, mientras que la superficie externa de la membrana de la vesícula secretosa formará parte de la superficie interna de la membrana plasmática. Mediante este mecanismo, las células son capaces de elimina sustancias sintetizadas por la célula o sustancias de desecho. En toda célula existe un equilibrio entre la exocitosis y la endocitosis para mantener la membrana plasmática y que quede asegurado el mantenimiento del volumen celular, ya que la endocitosis supone una pérdida de membrana, mientras que la exocitosis supone una ganancia. TRANSCITOSIS. Es el conjunto de fenómenos que permite a una sustancia atravesar todo el citoplasma celular desde un polo hasta el otro de la célula. Implica el doble proceso endocitosis-exocitosis. Es típico de las células endoteliales que constituyen los capilares sanguíneos, transportándose así las sustancias desde el medio sanguíneo hasta el tejido que rodean a los capilares. MECANISMOS DE LA TRANSCITOSIS.

193

Es un mecanismo de transporte transcelular. La célula engloba la sustancia extracelular mediatne una invaginación que da lugar a una vesícula (endocitosis) que se mueve a través de la célula para expulsar la sustancia en el lado opuesto de la membrana (exocitosis).

INTERACCIÓN CÉLULA-CÉLULA. En los organismos pluricelulares, tanto vegetales como animales, las células que forman tejidos se encuentran en contacto directo unas con otras. Se unen entre sí mediante modificaciones de sus membranas, denominadas uniones intercelulares, visibles solamente con el microscopio electrónico. Atendiendo a su extensión, se distinguen dos tipos de uniones intercelulares: •

Tipo zónula. Afecta a todo el contorno de la célula como si se tratase de un cinturón, y suele localizarse en su polo apical, como sucede, por ejemplo, en las células del epitelio intestinal (enterocitos).

•

Tipo mácula. Afecta solo a una zona concreta de la membrana plasmática. Es una unión puntual que se manifiesta, por ejemplo, entre las células epidérmicas que constituyen el estrato espinoso de la piel.

Atendiendo a su estructura y función, se diferencian uniones comunicantes, uniones estrechas y uniones adherentes o desmosomas. UNIONES COMUNICANTES. En ellas existe un pequeño espacio intercelular de apenas 30 nm, con lo que las membranas celulares no llegan a contactar y permiten el paso de pequeñas moléculas entre dos células adyacentes. Se pueden distinguir dos tipos: •

Sinapsis químicas, que se realizan entre dos neuronas, separadas por un espacio o hendidura sináptica en el que la neurona presináptica libera, mediante exocitosis, la señal química o neurotransmisor, contenido en las

194

vesículas sinápticas. Esta señal se difunde a través de la hendidura sináptica hasta llegar a la membrana de la otra neurona, denominada postsináptica. •

Uniones en hendidura o de tipo gap. Este tipo de unión deja entre las dos membranas plasmáticas una hendidura lo suficientemente ancha como para permitir el paso entre ellas de moléculas relativamente grandes. La unión se realiza mediante conexones, que son estructuras cilíndricas transmembranales formadas por la asociación de seis moléculas de una proteína. Estas conexiones tienen un diámetro de 6 nm y dejan en su centro un canal acuoso de 2 nm. Además de unir dos células contiguas, los conexones ponen en comunicación ambos citoplasmas, pudiendo pasar a través de ellos iones y pequeñas moléculas hidrosolubles; de este modo, se establece una cooperación metabólica. Por este motivo, a estas uniones se las denomina comunicantes. Este tipo de unión es frecuente en las células musculares lisas que constituyen el miometrio del útero, las cuales aumentan a medida que avanza la gestación.

UNIONES ESTRECHAS. Son regiones especializadas de la membrana que impiden el paso de cualquier molécula entre las células, ya que el contacto que se establece entre las membranas de células adyacentes obtura completamente el espacio intercelular. También se denominan herméticas o íntimas. UNIONES ADHERENTES O DESMOSOMAS. Mediante estas uniones, las células se mantienen unidas mecánicamente, haciendo que el conjunto funcione como una unidad estructural. Se localizan preferentemente en aquellos tejidos que se encuentran sometidos a fuertes tensiones mecánicas, como el músculo cardíaco, el cuello del útero o el epitelio cutáneo. Las membranas de las células vecinas se acercan, pero no se fusionan. Las uniones adherentes presentan una estructura general que implica:

195

•

La existencia de una proteína transmembrana.

•

Unas proteínas de unión que medien la unión entre las proteínas transmembrana y el citoesqueleto (microfilamentos o filamentos intermedios). Desmosomas en bandas o zónulas adherentes. Están en el polo apical de las células epiteliales del intestino delgado, formando una franja de la célula. Hemidesmosomas. Están entre el polo basal de una célula epitelial y la matriz extracelular sobre la que se apoyan. Tienen una estructura que se corresponde con la mitad de la de un desmosoma. Aparece un refuerzo de la membrana formando la placa desmosómica y microfilamentos del citoesqueleto que se anclan a ella. Desmosomas puntiformes. Son como remaches que unen dos células epiteliales en puntos de sus membranas. Están presentes en números tejidos, pero generalmente se encuentran en los epitelios. La cara interna o citoplasmática de cada membrana presenta un refuerzo osmiófilo denso denominado placa desmosomal que está compuesta por unas moléculas

interaccionan con los filamentos intermedios del

citoesqueleto. De esta parten unas proteínas que se unen

a las

procedentes de la placa desmosomal de la célula contigua, uniendo con ello las dos células. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO. Su nombre procede de la primitiva creencia de que se trataba de una red de canalículos exclusivamente de localización endoplasmática. Hoy día se sabe que es un sistema membranoso intracelular que se extiende entre las membranas plasmática y nuclear. Constituye más de la mitad del componente membranoso total de una célula. La membrana que lo delimita continúa en la membrana nuclear y la membrana plasmática; en consecuencia, el contenido líquido del citoplasma queda dividido en dos compartimentos: el espacio luminal o cisternal, contenico en el interior del retículo endoplasmático, y el espacio citosólico que comprende le exterior endoplasmático.

196

En 1950, Sjostrand, Palade y Portier lo describieron, tras estudiarlo con el microscopio electrónico, como una red membranosa citoplasmática constituida por dos compartimentos

interconectados, pero con una distinta composición química y

función: el retículo endoplásmático rugoso (RER) y el retículo endoplasmático liso (REL). ESTRUCTURA DEL RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO. Está formado por un conjunto de vesículas delgadas y planas dispuestas paralelas unas con otras y comunicadas entre sí. También se comunican con la membrana nuclear y con la membrana celular. En el interior queda un espacio donde acumulan generalmente proteínas y en la cara externa de cada vesícula aparecen adheridos numerosos ribosomas dándole aspecto rugoso característico. FUNCIONES DEL RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO. Las funciones del RER están relacionadas con la composición bioquímica de sus membranas, que es diferente a la de la membrana plasmática o a la del RER. El RER contiene en su membrana enzimas implicadas en diversas funciones: •

Síntesis y almacenamiento de proteínas. Las enzimas implicadas se sitúan de manera simétrica, siendo distintas las de la cara citosólica de las de la cara luminal. Las proteínas se sintetizan en los ribosomas que van adheridos a la membrana citosólica del RER. Al mismo tiempo que se sintetizan, y mediante un complejo mecanismo, pueden quedarse en la membrana

como

proteínas

transmembrana

o

pasar

al

lumen

intermembranoso para ser exportadas a otros destinos, incluido el exterior celular. •

Glucosilación de las proteínas. La mayor parte de las proteínas sintetizadas y almacenadas en el RER, antes de ser transportadas a otros orgánulos citoplasmáticos (aparato de Golgi. lisosomas), a la membrana plasmática o al exterior de la célula, deben ser glucosiladas para convertirse en glucoproteínas.

197

Este proceso se realiza en el lumen del retículo, gracias a que los oligosacáricdos pueden pasar del lado citosólico al luminal debido al movimiento de flip-flop de un líquido transportador, el dolicol.

ESTRUCTURA DEL RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO. Es una red tubular, constituida por finos túbulos o canalículos interconectados, y cuyas membranas continúan en las del RER, pero sin llevar ribosomas adheridos. La mayor parte de las células tienen un retículo endoplasmático liso escaso, pero es particularmente abundante en: •

Células musculares estriadas en las que constituye el llamado retículo sarcoplasmático, muy importante en la liberación del Ca ²⁺ que participa en la contracción muscular.

•

Células intersticiales ováricas de Leydig, del testículo y células de la corteza suprarrenal. Secretoras de hormonas esteroideas.

•

Hepatoticos, donde interviene en la producción de partículas lipoproteínas para su exportación.

FUNCIONES DE LÍPIDOS. Las proteínas específicas presentes en las membranas del retículo endoplasmático liso varían según el tipo celular, y dependen de las funciones particulares que este orgánulo desempeña. •

Síntesis de lípidos.

•

Contracción muscular.

•

Detoxificación. Consiste en la eliminación de todas aquellas sustancias que puedan resultar nocivas para el organismo. Como sustancias tóxicas, se consideran los pesticidas, las conservantes, los barbitúricos, algunos medicamentos y sustancias producidas por células extrañas al organismo.

198

Las células implicadas en la detoxificación pertenecen a órganos como la piel, el intestino, el pulmón, el hígado o el retículo. •

Liberación de glucosa a partir de los gránulos de glucógeno presentes en los hepatocitos.

EL APARATO DE GOLGI. El aparato Golgi forma parte del sistema de endomembranas y se encuentra en todas las células eucarióticas, excepto en los glóbulos rojos de los mamíferos, y su localización en relativamente fija para cada tipo de célula. ULTRAESTRUCTURA. El microscopio electrónico permitió constatar que el aparato de Golgi está constituido por una o varias morfofuncionales denominadas dictiosomas, que constituyen un sistema membranoso formado por la agrupación de varios sacos aplanados o cisternas y vesículas asociadas. Los dictiosimas pueden presentar continuidad con otros componentes del sistema de endomembrana, como por ejemplo el retículo endoplasmátcio. •

Vesículas de transición, situadas junto a las cisternas de la cara cis del dictiosoma.

•

Cara proximal.

•

Cara distal, de maduración o cara trans. Tiene forma cóncava y está relacionada con la formación de vesículas secretoras.

•

Vesículas secretoras, situadas junto a las cisternas de la cara trans del dictiosoma. Fin secreción o fin formación del lisosoma primario.

FUNCIONES. La cuatro estaciones más importantes del aparato de Golgi son el transporte y la concentración de proteínas, la glucosilación de lípidos y de proteínas, la formación del tabique telofásico en células vegetales y la formación del acrosoma. 199

•

Mecanismo de transporte golgiano. Las proteínas son exportadas por el RER, englobadas en vesículas que se unen a la región cis del dictiosoma. Aquí, las proteínas sufren una fosforilación si llegan sin fosforilar. Las proteínas secretoras se desplazan de una cisterna a otra gracias a vacuolas condensantes que se originan en los bordes dilatados de las cisternas. Progresivamente, la concentración de proteínas va aumentando conforme van pasando a través de los sáculos intermedios, hasta llegar a los situados en la cara trans.

•

Glucosilación de lípidos y proteínas. El aparato de Golgi es el orgánulo celular en el que se produce el ensamblaje de oligosacáridos a lípidos y proteínas para formar glosolípidos y glucoproteína respectivamente. También se sintetizan los glucosaminoglucanos observados en la matriz extracelular de las células animales, así como las pectinas y la hemicelulosa presentes en las paredes de las células vegetales.

•

Formación del tabique telofásico en células vegetales. El tabique telofásico que determina la división del citoplasma de la célula vegetal en división, se produce por la asociación en el plano ecuatorial de vesículas derivadas del aparato de Golgi.

•

Formación del acrosoma en el espermatozoide. El acrosoma deriva del apartado de Golgi y es una estructura apical cargada de enzimas hidrolíticas que sirven para digerir los componentes de las cubiertas del ovocito en el proceso de la fecundación.

LISOSOMAS, PEROXIOMAS Y VACUOLAS. Son todos aquellos orgánulos rodeados de membrana, que contienen en su interior enzimas relacionadas con procesos de digestión.

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ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS LISOSOMAS. Son orgánulos que contienen en su interior alrededor de cincuenta enzimas hidrolíticas diferentes, capaces de degradar todo tipo de polímeros biológicos. Estas enzimas se caracterizan porque todas tienen una actividad óptima a pH 4,6; son, por tanto, hidrolasas ácidas. Los lisosomas actúan como un sistema digestivo celular, degradando el material captado del exterior por pinocitosis o fagocitosis, y digiriendo por autofatiga materiales de la propia célula que ya han cumplido su función biológica. Los lisosomas formados a partir de vesículas desprendidas del aparato de Golgi se denominan lisosomas primarios. Cuando la célula incorpora por endocitosis el material, se forma una vesícula endocítica o fagosoma. Es entonces cuando un lisosoma primario se adhiere a ésta formando un lisosoma secundario o fagolisosoma, en el que las enzimas hidrolíticas degradan las sustancias para que puedan ser utilizadas por la célula. Cuando el material que se necesitan digerir proviene del interior celular, se habla de autofagia. En este proceso se forma una vesícula o autofagosoma a la que se une un lisosoma primario, que realiza la digestión. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LOS PEROXISOMAS. Son pequeños orgánulos con una gran variedad de enzimas en distintas rutas metabólicas como la oxidación de ácidos grasos, el ciclo del glioxilato y la fotorrespiración. Son capaces de llevar a cabo reacciones de oxidación de sustratos diferentes gracias a unas enzimas denominadas oxidasas. En la reacción se produce peróxido de hidrógeno (H²O²); sustancia muy tóxica para la célula, que se elimina gracias a otra enzima de los peroxidomas, la catalasa. Además de detoxificar una gran variedad de moléculas tóxicas, sobre todo en el hígado y en el riñón.

201

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS VACUOLAS. Son orgánulos celulares a modo de cisternas membranosas, más caracterizadas y abundantes en las células vegetales, pero no exclusivas de ellas. En las células adultas donde son mayores y en menor cantidad y en las jóvenes son menores y en mayor cantidad. Constan de una membrana que las delimita del resto de citoplasma y que recibe el nombre de membrana tonoplástica o tonoplasto. En el interior se encuentra el llamado jugo vacuolar amorfo, cuyo principal componente es el agua. Las funciones de las vacuolas son:

•

Mantenimiento de turgencia celular. La presión osmótica en el interior de las vacuolas es muy alta por la elevada concentración de sustancias. El agua tiende a penetrar en las vacuolas para por ósmosis para equilibrar la presión osmótica, y así la célula se mantiene turgente.

•

Digestión celular. En las células eucarióticas vegetales, las vacuolas están relacionadas con procesos de digestión intracelulares, para lo cual, en su interior se encuentran las hidrolasas ácidas.

•

Almacenamiento de sustancias diversas. Las vacuolas pueden servir como almacén transitorio de muchas moléculas de la célula; también almacenan sustancias de reserva y, en ocasiones, sustancias tóxicas.

MITOCONDRIAS Las mitocondrias son unos orgánulos celulares descritos por primera vez por Altman en 1886, a los que denominó bioblastos; están presentes en todas las células eucarióticas aerobias. En la actualidad, se sabe que son orgánulos capaces de realizar la mayoría de las oxidaciones celulares y producir la mayor parte del ATP de la célula. Debido a su tamaño y a su bajo índice de refracción, su observación in vivo es muy difícil. Sin embargo, pueden visualizarse al microscopio óptico utilizando un colorante vital como el verde Jano.

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ULTRAESTRUCTURA DE LA MITOCONDRIA. Al microscopio electrónico, las mitocondrias se observan formadas por dos membranas que delimitan dos cámaras: •

Membrana mitocondrial externa. Limita por completo a la mitocondria. Su estructura es la misma que la del resto de las membranas celulares.

•

Membrana mitocondrial interna. Presenta unos repliegues hacia la cámara interna denominados crestas mitocondriales, que suelen disponerse transversalmente al eje mitocondrial, pero que también se observan dispuestas longitudinalmente.

•

Partículas elementales F. Se encuentran sobre la cara externa de las crestas, orientadas hacia la matriz. Son complejos de ATP-sintetasa y consta de una cabeza estérica o complejo F1, y una base hidrófila embutida en la membrana.

•

Cámara interna o matriz mitocondrial. La matriz mitocondrial contiene: o Moléculas de ADN mitocondrial, que en la mayoría de las células de los mamíferos es circular, bicatenario y diferente del ADN nuclear. o Ribosomas 70S.

•

Cara externa o espacio intermembrana. Situada entre las membranas externa e interna.

DISTRIBUCIÓN Y MORFOLOGÍA. Las mitocondrias se encuentran distribuidas de manera uniforme por todo el citoplasma, y existen numerosas excepciones relacionadas con las necesidades energéticas de la célula, de las que también depende su número, difícil de precisar, dado que varía entre amplios límites. Al conjunto de mitocondrias de una célula se le denomina condrioma celular. En una célula hepática, por ejemplo, pueden existir entre 1000 y 16000 mitocondrias.

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Su forma es muy variable, y se observan al microscopio óptico como formaciones filamentosas o granulares. En realidad, se trata de estructuras plásticas que pueden cambiar de aspecto funcional de la célula. Su diámetro suele ser constante y oscila entre las 0,5 y 1 µm, pero la longitud es muy variada y pueden alcanzar hasta 7 µm. FUNCIONES. El hecho de que los compartimentos mitocondriales tengan distintos complejos enzimáticos, implica que en cada uno de ellos se realizarán funciones diferentes. •

Ciclo de Krebs. Tiene lugar en la matriz matricondrial.

•

Cadena respiratoria. Se localizan en la membrana interna.

•

Fosforilación oxidativa. Se realiza en las partículas elementales F.

•

La ß-oxidación de los ácidos grasos.

•

Concentración de sustancias en la cámara interna.

ADN MITOCONDRIAL. Las mitocondrias poseen un propio ADN nuclear. Su estructura es parecida al de las bacterias; de doble hélice y circular, y se replica de forma independiente del ADN nuclear. Las mitocondrias heredan por vía materna, ya que las que se encuentran en los espermatozoides no penetran en el interior del óvulo. EL hecho de que se hereden por vía materna, unido a que su ADN no se recombina y a que su tasa de mutación es conocida, hace de él un elemento clave para conocer la evolución humana. Concretamente, sirve para determinar, junto a pruebas paleotológicas, que el origen de la humanidad estuvo en África, desde donde los humanos modernos emigraron al resto del mundo. PLASTOS. Son orgánulos celulares exclusivos de las células vegetales. Se caracterizaban por poseer pigmentos (clorofila y carotenoides) y por su capacidad de sintetizar y acumular

204

sustancias de reserva (almidón, aceites y proteínas). Se clasifican en dos grandes grupos:

•

Leucoplastos. Son plastos que carecen de pigmentos y en la mayoría de los casos almacenan diversas sustancias, como almidón (amiloplastos), grasas (oleoplastos) y proteínas (proteoplastos). Se localizan en las células vegetales que forman los colitedones.

•

Cromoplastos. Son plastos que llevan en su interior un pigmento que les da color. Así, por ejemplo, los que contienen clorofila son de color verde y se llaman cloroplastos, mientras que los que tienen ficoeritrina son de color rojo y se denominan rodoplastos.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CROMOPLASTOS. Son los plastos de mayor importancia biológica; ya que por medio de fotosíntesis, en ellos se transforma la energía lumínica en energía química, que pueden ser aprovechadas por los vegetales. Al microscopio electrónico óptico pueden ser observados, en fresco y sin teñir, y aparecen generalmente como unos orgánulos discoidales. Se encuentran localizados en el citoplasma. No tienen un lugar fijo. Su morfología es diversa. En los vegetales superiores suelen ovoides o lenticulares, pero en algunas algas tienen formas diferentes; como por ejemplo, Spirogyra posee uno o dos cloroplastos en forma de hélice. El tamaño varía ampliamente de unas especies a otras, suelen tener un tamaño similar al de las bacterias. ULTRA-ESTRUCTURA DE LOS CLOROPLASTOS. Al microscopio electrónico, los cloroplastos se observan como orgánulos constituidos por una doble membrana (externa e interna), un espacio inter-membranoso y un 205

espacio interior o estroma, en el seno del cual se localizan formaciones membranosas denominadas tilacoides, con forma de sáculos aplanados. •

Membrana externa e interna. Su estructura es muy parecida a la que presentan el resto de las membranas.

•

Tilacoides. Son sáculos aplanados que se pueden encontrar aislados o superpuestos e interconectados, como si se tratara de una pila de monedas formando una red interna membranosa. Cada uno de estos apilamientos, con un número variable de sacos, recibe el nombre de grana. El espacio entre dos granas se denomina intergrana, y esté ocupado por sacos planos estomáticos que conectan las granas entre sí. Por tanto, hay membranas tilacoidales estromales y membranas tilacoidales granales. En los tilacoides de realizan todos los procesos de la fotosíntesis que requieren luz. Sobre la cara externa de estas membranas se sitúan los complejos F¹ y los pigmentos fotosintéticos.

•

Estroma o matriz amorfa. Presenta en su interior una molécula de ADN circular de doble cadena y ribosomas, denominados plastorribosomas.

FUNCIONES DE LOS CLOROPLASTOS. Las principales funciones que realizan los cloroplastos son: •

Fotosíntesis. Tiene lugar en las membranas tilacoidales en la fase lumínica y en el estroma en la fase oscura.

•

Biosíntesis de ácidos grasos.

•

Reducción de nitratos o nitritos.

206

HIALOPLASMA, CITOESQUELETO Y ESTRUCTURAS NO MEMBRANOSAS DE LA CÉLULA. La membrana plasmática es la frontera entre el medio extracelular y el intracelular. El medio intracelular está formado por una solución líquida denominado hialoplasma o citosol y unos orgánulos que pueden o no estar delimitados por membranas. El conjunto formado por el citosol y todos los orgánulos (a excepción del núcleo) recibe el nombre de citoplasma. ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN. La variación que existe en el citosol, en cuanto a su contenido en agua, se debe a que puede presentar dos estados físicos con diferente consistencia: el estado de gel, que posee una consistencia viscosa, y el estado de sol, de consistencia fluida. Los cambios de estado de sol a estado de gel y viceversa se producen según las necesidades metabólicas de la célula, y representan un papel muy importante en la locomoción celular y, particularmente, en el movimiento ameboide. FUNCIONES. El citosol actúa como regulador del pH intracelular. Además, en este compartimento es donde se realizan la mayoría de las reacciones metabólicas celulares. CITOESQUELETO. El citoesqueleto es el conjunto de filamentos proteicos situados en el citosol, que pueden formar estructuras reticulares más o menos complejos, y que contribuyen a la morfología celular a la organización interna de los orgánulos citoplasmáticos y al movimiento celular. El citoesqueleto está formado por microfilamentos de actina, filamentos intermerios y microtúbulos. MICROFILAMENTOS DE ACTINA. Se encuentran en las células eucarióticas y son imprescindibles para el desarrollo de los movimientos celulares. 207

Además de la actina, estos microfilamentos contienen proteínas asociadas como la miosina –actúa como proteína motora-, que junto con la ctina interviene en la contracción muscular. FUNCIONES DE LOS MICROFILAMENTOS DE ACTINA. •

Contracción muscular. En las células musculares estriadas, la actina se asocia a la miosina, permitiendo que los microfilamentos de actina se acorten al deslizarse unos sobre ellos, lo que provoca la contracción de la célula muscular.

•

Formación del esqueleto mecánico de las microvellosidades.

•

Citocinesis celular. En la telofase de la división celular se forma un anillo contráctil en la zona ecuatorial de la célula, constituido por actina y miosina, cuya contracción provocará la separación de las células hijas (en animales).

•

Movimiento ameboide.

MICROTÚBULOS. Son formaciones cilíndricas, uniformes y rectilíneas, que se encuentran dispersa por el citoplasma o formando parte de cilios, flagelos y centriolos. Se trata de estructura dinámicas, ya que se pueden formar o destruir según las necesidades fisiológicas de la célula. Los microtúbulos tienen longitud variable. Al seleccionarlos transversalmente, aparecen formados por trece subunidades o protofilamentos, dejando una cavidad central. Químicamente, los microtúbulos están formados por una proteína llamada tubulina. Existen dos tipos de tubulinas: la α-tubulina y la ß-tubulina. Las moléculas de αtubulina y ß-tubulina se asocian formando dímeros; a su vez, estos dímeros se unen para formar cada uno de los trece filamentos que, fienlametne, constituyen el microtúbulo. Funciones de los microtúbulos. 208

•

Formación del huso mitótica.

•

Transporte intracelular.

•

Movimiento de la célula.

FILAMENTOS INTERMEDIOS. Se denominan así porque su diámetro es intermdio entre el de los microfilamentos de actina y el de los microtúbulos. Son estructuras formadas por proteínas fibrosas, muy resistentes, estables y que se encuentran en todas las células eucaríoticas, pero específicas para cada tipo celular. Se pueden agrupar en tres clases: •

Filamentos de queratina. Son propios de las células epiteliales.

•

Neurofilamentos. Se localizan en el axón y en las dendritas de las neuronas.

•

Filamentos de vitamentina, como en los fibroplastos.

Los filamentos intermedios son los más resistentes de los tres tipos. Realizan funciones estructurales, evitando las roturas de las membranas de las células que se encuentran sometidas a esfuerzos mecánicos, ya que contribuyen los efectos de las fuerzas. Contribuyen, además, al mantenimiento de la forma celular.

CENTROSOMA. El centrosoma o centro celular es una estructura sin membrana, presente en todas las células animales susceptibles de dividirse. Salvo algunas excepciones, no existe en células vegetales. ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN. El centrosoma consta de un cuerpo central formado por dos centriolos, rodeado por el material pericentriolar. En la actualidad, al conjunto de estos dos componentes se le llama centro organizador de microtúbulos (COMT).

209

Mediante el microscopio electrónico, se observa que ambos centriolos se disponen perpendicularmente entre sí. Cada centriolo es una estructura cilíndricas cuyas paredes están formadas por nueves grupos de tres microtúbulos o tripletes que forman la denominada estructura 9+0. Los tres microtúbulos que constituyen cada triplete están estrechametne asociados los unos con los otros, y ligeramente desplazados con respecto a la generatriz del cilindro. Los tripletes se encuentran adyacentes están unidos entre sí mediante una proteína. En el centriolo se distinguen un extremo proximal cercano al núcleo celular, y un extremo distal dirigido hacia la periferia. En el interior de la región proximal del centriolo se observa con el microscopio electrónico un material denso opaco, del que salen unas fibrillas radiales dirigidas hacia la cara interna de los microtúbulos A. Esta estructura proporciona una imagen, conocida como rueda de carro. ORIGEN Y FUNCIÓN DEL CENTROSOMA. El centrosoma es el centro organizador de los microtúbulos. De él derivan todas aquellas estructuras que, como los cilios o los flagelos, están formadas por microtúbulos, incluido el huso mitótico. CILIOS Y FLAGELOS. Son derivados centriolares a modo de expansiones citoplasmáticas, filiformes y móviles, localizados en la superficie libre de algunas células. Los cilios son cortos y muy numerosos, mientras que los flagelos son largos y escasos; generalmente, solo existe uno. ULTRAESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN. Los cilios y los flagelos responden a un mismo patrón estructural. Están formados por: Tallo o axonema. Contiene en su interior nueve pares de microtúbulos periféricos y un par de microtúbulos centrales. Todos son paralelos al eje mayor del cilio o del flagelo, formando una estructura del tipo 9+2.

210

Los dos microtúbulos centrales son completos. Sin embargo, de los que forman las parejas de microtúbulos periféricos, el más interno, o A, no es completo; y el más externo o B, no lo es. Zona de transición. Es la base del cilio o del flagelo. En esta zona desaparece el par de microtúbulos centrales y aparece la denominada placa basal, que conecta la base del cilio o flagelo con la membrana plasmática. Corpúsculo basal. Presenta una ultraestructura idéntica a la del centriolo; responde, por tanto, el modelo 9+0, dado que está formado por nueve tripletes de microtúbulos periféricos y ninguno centriolar. El corpúsculo basal, en su parte más próxima al núcleo, presenta una estructura en rueda de carro, debida a la presencia de fibrillas radiales que van desde los microtúbulos periféricos a una especie de eje central opaco. Raíces ciliares. Son unos microtúbulos estriados que salen del extremo inferior del corpúsculo basal, cuya función parece estar relacionada con la coordinación del movimiento de los cilios, ya que propagan el estímulo y son responsables del ritmo con el que baten los cilios. FUNCIONES DE LOS CILIOS Y DE LOS FLAGELOS. Su función está relacionada con el movimiento, ya que permiten que una célula se pueda desplazar activamente a través de un medio líquido, como, por ejemplo, en el caso de algunos protozoos o de los espermatozoides. También pueden provocar que sea líquido o las partículas extracelulares situadas sobre la superficie ciliar las que se muevan; esto es lo que ocurre en las células que recubren las trompas de Falopio y en las células epiteliales ciliadas, que se encuentran tanto en la tráquea como en los bronquios. RIBOSOMAS. Los ribosomas son partículas sin membranas, observables solamente con el microscopio electrónico.

211

Son partículas compactadas, formadas en partes iguales por ARNr y proteínas. Se pueden encontrar en: •

Libres en el citoplasma, aislados o unidos entre sí, formando polisomas o polirribosomas; en este último caso, la unión se realiza mediante un filamento de ARNm.

•

Adheridos a la cara externa de la membrana del retículo endoplasmático rugoso o a la cara citoplásmica de la membrana nuclear externa.

•

Libres en la matriz de las mitocondrias y de los cloroplastos semejantes a los ribosomas de los procariontes.

ESTRUCTURA. Está formado por dos subunidades desiguales, una grande y otra pequeña. En las células procarióticas tienen un coeficiente de sedimentación de 70S y en las células eucarióticas, un coeficiente de sedimentación de 80S. FUNCIONES. Los ribosomas intervienen en la síntesis de proteínas. INCLUSIONES CITOPLASMÁTICAS. Sustancias inertes de naturaleza hidrófoba llamadas inclusiones. Las inclusiones hidrófobas pueden ser celulares vegetales o animales, que pueden a su vez ser glucógeno, lípidos y pigmentos de diversa naturaleza. LA PARED CELULAR. La pared celular es una cubierta externa que actúa como exoesqueleto; es gruesa y rígida, y la desarrollan las células de bacterias, vegetales, algas y hongos sobre la membrana plasmática. COMPOSICIÓN QUÍMICA.

212

La pared celular de todas las células eucarióticas está formada principalmente por polisacáridos. En los hongos es la quitina y en las algas y plantas, son la celulosa, la hemicelulosa y la pectina. ESTRUCTURA. La pared celular de las células vegetales recién formadas está constituida por dos capas: la lámina media y la pared primaria. Generalmente, cuando la célula madura y finaliza el crecimiento, produce una tercera capa llamada pared secundaria, situada entre la membrana plasmática y la pared primaria. Lámina media. Se localiza entre la láminas primarias de células vecinas, excepto en los lugares donde se encuentran los plasmosdesmos, que son puentes de intercomunicación celular. Está compuesta fundamentalmente por pectina, y puede impregnarse con lignina cuando las células del xilema - tejido conductor de la savia bruta - mueren. Pared primaria. Es propia de las células en crecimiento. Es delgada y flexible, y permite que la célula se expanda y crezca. Sus principales componentes son la celulosa, la hemicelulosa y la pectina.

Pared secundaria. Cuando cesa el crecimiento de la célula, se diferencia una tercera capa (la pared secundaria) más gruesa y más rígida que la primaria, y está formada por un número variable de estratos. Químicamente, está constituida por pequeñas cantidades de pectina y por abundante celulosa que forma microfibrillas regularmente ordenadas en cada estrato, pero con una orientación diferente en cada uno, teniendo el conjunto una orientación helicoidal. Muchas paredes secundarias también contienen lignina, que es la responsable de la dureza de la madera. Se localiza, preferentemente, en las células de los tejidos especializados en el sostenimiento mecánico de la planta –esclerénquima- en los conductores como el xilema.

213

FUNCIONES. Constituye un exoesqueleto que protege a la célula, le da formay le confiere resistencia, pero sin impedir con ello su crecimiento. La pared celular es la responsable de que la planta se mantenga erguida, e impide que la célula se rompa, ya que interviene activamente en el mantenimiento de la presión osmótica intracelular. PARED BACTERIANA. Es una envoltura rígida característica de todos los tipos de bacterias excepto de los micoplasmas. Mantiene la forma de la célula frente a los cambios de presión osmótica, y regula el paso de iones. Una vez constituida la pared, resiste la acción de los antibióticos. La estructura de la pared se opone en evidencia gracias a la tinción Gram, que permite diferenciar dos grupos de bacterias. •

Las bacterias Gram positiva tienen una pared constituida pon una gruesa capa de mureína, que es un peptidoglucano formado por cadenas de moléculas de N-acetil glucosamina (NAG) unidas por enlaces O-glucosídicos con moléculas de N-acetil murámico (NAM). Estas últimas, gracias a las cadenas de cuatro aminoácidos que presentan, se encuentran a su vez unidas entre sí. La capa de mureína se asocia con proteínas, polisacáridos y ácido teicoicos.

•

Las bacterias Gram negativas también están compuestas por mureína, que forma una capa más fina que en las anteriores. Sobre ella se sitúa la membrana externa, que es una bicapa lipídica con lipopolisacáridos y muchas proteínas asociadas, la mayoría con función enzimática. Presenta cierta permeabilidad debido a las proteínas porinas, que permiten el paso de moléculas de bajo peso molecular.

214

METABOLISMO. CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE EL METABOLISMO. El metabolismo comprende el conjunto de transformaciones químicas y procesos energéticos que ocurren en el ser vivo. Cada una de estas transformaciones requiere la participación de una enzima que es, a su vez, el proceso de otras reacciones de síntesis proteica. Una ruta o vía metabólica es un proceso formado por una cadena de reacciones enzimáticas sucesivas. Cada una de las sustancias que interviene en una ruta metabólica, y sufre transformaciones durante el proceso recibe el nombre de metabolito. El catabolismo es el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas, y, además, produce energía. El anabolismo es el metabolismo de síntesis de moléculas, requiere energía y es posible gracias al catabolismo. MOLÉCULAS QUE INTERVIENEN EN EL METABOLISMO. En las rutas metabólicas, además de las enzimas específicas de cada ruta, son necesarios varios tipos de moléculas diferentes. Se pueden distinguir cuatro tipos de moléculas indispensables: •

Metabolitos. Son las moléculas que ingresan en las diferentes rutas del metabolismo, ya que para su degradación o para participar en la síntesis de otras moléculas más complejas. La glucosa y los ácidos grasos son ejemplos de metabolitos de degradación que actúan como verdaderos nutrientes de la célula viva.

•

Nucleótidos. Son las moléculas (como lo son NAD⁺, el NADP*, el FAD y el FMN) que posibilitan la oxidación o la reducción de los metabolitos según en qué ruta se encuentren.

215

•

Moléculas con enlaces ricos en energía. Generalmente, los enlaces energéticos están vinculados al grupo fosfato. Al formarse, se almacenan energía química; al romperse, se libera esa misma cantidad de energía. Ejemplo: GTP, ATP y la coenzima A.

•

Moléculas externas ambientales. Se encuentran al comienzo o al final de algún proceso metabólico. Proceden del ambiente celular o son cedidas a él. Ejemplo: oxígeno, agua y dióxido de carbono.

TIPOS DE METABOLISMO Toda célula necesita tomar del exterior alguna forma de energía que pueda aprovecha, así como alguna forma de materia a partir de la cual construya su materia propia. Existen diferentes tipos de metabolismo atendiendo a estas necesidades: Según el tipo de materia que deben tomar del exterior: •

Autótrofo o litotrofo. Solo necesitan tomar materia inorgánica a partir de la cual construyen materia orgánica propia, utilizando la energía luminosa (fotosíntesis) o la energía química procedente de la oxidación de algún compuesto (quimiosíntesis).

•

Heterótrofo u organotrofo. Necesitan tomar materia orgánica del exterior que transforman en materia orgánica propia y energía.

Según el tipo de energía que pueden aprovechar: •

Fototrofo. Son capaces de utilizar energía luminosa del exterior.

•

Quimiotrofo. Sólo son capaces de aprovechar energía química almacenada en moléculas que toman del exterior.

Si consideramos los dos criterios a la vez, resultan cuatro tipos de metabolismo:

216

Tipo

de Características

Seres vivos en que se

metabolismo

presentan

Fotolitotrofo

Solo

(autótrofo

inorgánica del exterior (CO², agua, fotosintéticas.

sintético)

sales minerales) a partir de la cual, con Cianobacterias.

necesitan

tomar

materia Células

energía luminosa, son capaces de La sintetizar su materia orgánica.

mayoría

vegetales

de

las

bacterias fotosintética

Quimioorganotrofo Necesitan tomar materia orgánica del Células animales. (heterótrofo típico) exterior, de la que obtienen energía y Células de hongos. que, además, utilizan para formar La materia orgánica propia. Fotoorganotrofo.

Son

capaces

de

mayoría

de

las

bacterias.

tomar

materia Unas cuantas bacterias

inorgánica del exterior (CO², agua, fotosintéticas. sales

minerales)

mediante

para

sintetizar,

fotosíntesis,

materia

orgánica propia, pero necesitan tomar alguna materia orgánica del exterior, la cual actúa como donadora de electrones

para

las

reacciones

biosintéticas. Quimiolitotrofo

Son

(autótrofo

inorgánica del exterior (CO², agua,

quimiosintético)

sales

capaces

de

minerales)

tomar para

materia Algunas bacterias. sintetizar

materia orgánica propia. Obtienen energía, no de la luz, sino de la oxidación de moléculas inorgánicas que toman del exterior.

217

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DEL METABOLISMO. Según las ideas que se tienen actualmente sobre el origen de la vida, las células primitivas aparecieron gracia a la llamada “sopa primordial”, al medio acuoso rico en compuestos orgánicos. Las etapas de evolución del metabolismo son las siguientes: •

Primera. Como las células se abastecían directamente de moléculas orgánicas, algunas se fueron agotando y surgieron

células capaces de realizar

transformaciones (metabolismo) para obtener energía y sus propias moléculas. Así aparecieron procesos anaerobios como la glucólisis: obtención de energía metabólica (ATP) a partir de la glucosa. •

Segunda. Como los compuestos orgánicos se agotaban, sobrevivieron células capaces de utilizar las moléculas inorgánicas y aprovechar la energía de la luz solar. Así se inició la fotosíntesis.

•

Tercera. La fotosíntesis provoca la aparición de oxígeno en la atmósfera y, aunque continúan existiendo células anaerobias (que no requieren oxígeno), otras son capaces de utilizarlo para obtener energía de las moléculas orgánicas que las células autótrofas producen. Se desarrolla el metabolismo oxidativo, y aparece el proceso de respiración celular.

•

Cuarta. El crecimiento celular consecuente con el aprovechamiento de los desechos de otras células, la actividad de simbiosis entre células sencillas, los plegamientos de las membranas y la aparición del citoesqueleto, traen como consecuencia el desarrollo del complejo metabolismo de las células eucariontes.

CATABOLISMO Y ANABOLISMO. Las células reciben nutrientes, o sea, sustancias diversas que pueden proceder de otros seres vivos y que han de transformar.

218

Las primeras transformaciones que tienen lugar en la materia que ingresa en un organismo son reacciones de hidrólisis, mediante las cuales se obtienen los eslabones estructurales comunes a todos los seres vivos. De la degradación de las macromoléculas se obtiene la energía necesaria para las funciones celulares. La degradación consiste en la oxidación de macromoléculas reducidas que se convierten en otras más pequeñas y oxidadas. Estas transformaciones desprenden energía, que se recoge en intermediarios de energía. Como el ATP, o en forma de poder reductor en transportadores de electrones. La parte del metabolismo que se encarga de estas degradaciones se denomina catabolismo. Cada tipo de molécula: glúcidos, lípidos y aminoácidos, será degradada en una ruta catabólica específica. En los organismos superiores, estas rutas desembocan en las rutas centrales, por lo que el catabolismo es un proceso convergente.

La energía obtenida del catabolismo se emplea en: •

La realización de trabajo mecánico.

•

El transporte activo a través de la membrana.

•

La amplificación de señales.

•

La construcción de las macromoléculas que forman la propia estructura de las células y los tejidos y las que sirven de sustancias de reserva.

219

La parte del metabolismo que se encarga de la construcción de las moléculas orgánicas se conoce con el nombre de anabolismo. Esta construcción parte de moléculas pequeñas y oxidadas. Es necesario reducirlas, para lo que se requiere energía (ATP) y poder reductor (NADPH) obtenidos del catabolismo o de la conversión de energía lumínica en el caso de los organismos fotosintéticos. Anabolismo y catabolismo son procesos interconectados y simultáneos. El equilibrio entre ambos se mantiene gracias a la regulación del metabolismo. La secuencia de reacciones enzimáticas que constituye el catabolismo degrada el esqueleto covalente de una determinada moléculas. Las rutas anabólicas sintetizan ese esqueleto covalente. En el centro del metabolismo existen rutas que son anfibólicas. Son cadenas de equilibrios químicos que se desplazan en un sentido u otro en función de las concentraciones de los sustratos o de los mecanismos de regulación.

CATABOLISMO AERÓBICO Y ANAERÓBICO PANORÁMICA DEL CATABOLISMO AERÓBICO. El catabolismo comprende el metabolismo de degradación oxidativa de moléculas orgánicas, cuya finalidad es la obtención de la energía necesaria para que la célula realice sus funciones vitales. La célula debe disponer de una última molécula a la que puede cederle los electrones o los hidrógenos desprendidos en las rutas de oxidación. Según sea la naturaleza del aceptor de electrones, los seres vivos se pueden clasificar como aeróbicos o aerobios, si el receptor es el oxígeno molecular; o anaeróbicos o anaerobios, si es otra molécula. En cuanto a la evolución, los procesos anaeróbios son mucho más antiguos, pues parece ya indiscutible que las formas de vida primitiva se produjeron muchos millones de años antes de que existiera oxígeno en la atmósfera. REACCIONES REDOX.

220

Todas las transformaciones moleculares que desprenden energía en los procesos catabólicos son reacciones de oxidación. Las reacciones de este tipo son aquellas en las que se transfieren electrones de un átomo o moléculas a otro. Toda oxidación requiere una reducción, por lo que estos procesos se denominan redox (reacciones de reducción-oxidación). En los procesos metabólicos, se suceden las reacciones redox en las que se transfieren átomos de hidrógeno o su electrón de un compuesto a otro. Las oxidaciones van a acompañadas de pérdidas de átomos de hidrógeno (cada átomo de hidrógeno contiene un protón y un electrón). Las moléculas que ceden átomos de hidrógeno se oxidan, mientras que las que los aceptan se reducen. La trasferencia de los electrones en un proceso catabólico se realiza en un orden preciso que viene determinado por el potencial de reducción de cada par redox, comenzando por el que tenga potencial más negativo. Un par de redox está compuesto por las dos especies moleculares que intervienen en cada reacción de oxidación-reducción. Cuanto mayor sea la diferencia entre el potencial de reducción del estado inicial y del estado final de la ruta catabólica, tanto mayor será la energía desprendida en el proceso. Los átomos de hidrógenos liberados en las reacciones de oxidación van acompañados de gran cantidad de energía que estaba almacenada en los enlaces de los que formaban parte. Los transportadores de hidrógeno son nucleótidos como el NAD*, el NADP* o el FAD, que captan los átomos de hidrógeno liberados por las moléculas oxidadas y los transfieren a las moléculas aceptoras, que finalmente se reducirán. CARACTERÍSTICAS DE LAS REACCIONES REDOX. Reacciones de oxidación. •

Eliminación de hidrógeno.

•

Eliminación de electrones.

•

Liberación de energía.

Reacciones de reducción. 221

•

Adición de hidrógeno.

•

Adición de electrones.

•

Almacenamiento de energía.

PROCESOS CATABÓLICOS EN CONDICIONES AEROBIAS. El catabolismo aerobio está formado por varias rutas metabólicas que conducen finalmente a la obtención de moléculas de ATP, y que podrán utilizarse en otros procesos que requieren aporte energético, como son las rutas del anabolismo. La energía que no se almacena se disipa en forma de calor. La glucosa y los ácidos grasos que entran en la célula son degradados mediante la glucólisis y la ß-oxidación respectivamente, a acetil-CoA. Las proteínas se descomponen

en

sus

aminoácidos

constituyentes,

formando

diferentes

intermediarios. Finalmente, todos ellos entran en el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria, produciendo CO², H²O y ATP. GLUCÓLISIS La glucólisis o ruta de Embden-Meyerhof ocurre en el citosol sin necesidad de oxígeno, y es una secuencia de reacciones en la que una molécula de glucosa (seis átomos de carbono) se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico (tres átomos de carbono cada una). •

Degradación parcial de la glucosa a 2 moléculas de Ácido Pirúvico liberándose la energía almacenada en el enlace C-C.

•

Primera ruta metabólica que aparece en todos los seres vivos.

•

Ruta universal: en anaerobios y aerobios.

•

Lugar: citosol.

•

Fin: obtención de energía y metabolitos intermediarios para otras rutas metabólicas (ATP y NADH+H⁺)

RESUMEN ETAPAS. Se pueden diferenciar dos etapas: 222

1. Una previa, encaminada a preparar las hexosas (glucosa y fructosa 6-p) para participar en el proceso glucolítico. Consiste en dotar a ambas moléculas de un grupo fosfato, procedente del ATP, y crear enlaces fosfato que proporcionen la energía de activación suficiente para que transcurra la glucólisis. 2. La etapa central de la glucólisis es la oxidación del gliceraldehido 3 fosfato (G3-P), que se transforma en ácido 1-3-difoglicérico, mediante una reacción catalizada por un enzima deshidrogenasa, que utiliza NAD⁺ como coenzima. La energía liberada en esta oxidación se aprovecha para formar un enlace fosfato, rico en energía, en el ácido 3-fosfoglicérico, a partir de un fosfato inorgánico que se encuentra libre en el citosol (no procede del ATP), lo que da lugar a una molécula doblemente fosforilada. Por su parte la energía almacenada en estos enlaces fosfato va a servir en etapas posteriores para acoplar reacciones de síntesis de ATP, denominadas fosforilaciones a nivel de sustrato, que transfieren los grupos fosfato de los metabolitos al ADP y generan enlaces ricos en energía en el ATP. De esta forma se puede considerar que la energía de la oxidación de G-3-P se utiliza, mediante una serie de intermedios, para la síntesis de ATP; además se obtiene NADH+H⁺, que también puede suministrar ATP, o bien acoplarse como poder reductor indispensable para las reacciones de biosíntesis. BALANCE GENERAL: Glucosa + 2 NAD⁺ + 2 Pi ---> 2 Ác. Pirúvico + 2 (NADH+H⁺) + 2 ATP +2 H2O

ETAPAS. La glucólisis transcurre en nueve enzimáticas, en cada una de las cuales de transfoman metabolitos fosforilados. Etapa 1. Fosforilación de la glucosa en una reacción endergónica que consume una molécula de ATP. 223

•

Etapa 2. Isomerización de la glucosa 6-fosfato, que consiste en una reorganización de la molécula para formar el anillo pentagonal de fructosa.

•

Etapa 3. Fosforilación de fructosa 6-fosfato con gasto de una molécula de ATP.

•

Etapa 4. Escisión de la fructosa 1.6-bisfosfato en dos triosas que coexisten en equilibrio. Se puede considerar que se obtienen dos moléculas de gliceraldehido 3-fosfato. A partir de esta etapa, el número de moléculas que intervienen se duplica.

•

Etapa 5. Oxidación y fosforilación de gliceraldehido 3-fosfato. Se emplea un fosfato inorgánico y se reducen dos moléculas de NAD*.

•

Etapa 6. Desfosforilación del ácido 1.3-bisfosfato, formándose una molécula de ATP por cada molécula de ácido 1.3-bisfosfatoglicérico desfosforilada.

•

Etapa 7. Isomerización del ácido 3-fosfoglicérico, en el que el grupo fosfato cambia su posición del C³ al C².

•

Etapa 8. Formación de un doble enlace como consecuencia de la pérdida de un átomo de hidrógeno y un grupo –OH en el ácido 2-fosfoglicérico.

•

Etapa 9. Desfosforilación del ácido fosfoenol pivúrico, obteniéndose ácido pirúvico y ATP (una molécula por cada molécula de ácido fosfoenolpirúvico).

224

ETAPAS CLAVE DE LA GLUCÓLISIS. Un punto crucial de la glucólisis es la etapa 5. Obviamente, si el NADH extramitocondiral producido no vuelve a oxidarse, la ruta se detendrá. El modo de oxidarse dependerá de la disponibilidad de oxígeno. En condiciones aerobias, las moléculas de NADH extramitocondrial ceden sus electrones a la cadena de transporte electrónico mediante un intermediario: la hidroxiacetona fosfato, que se reduce a glicerol fosfato. Este entra en la mitocondria, se reoxida mediante la reducción de un FAD, y sale al citosol de nuevo como dihidroxiacetona fosfato. A este proceso de ida y vuelta se le ha llamado la lanzadera de la dihidroxiacetona. El FAD mitocondrial reducido se oxidará mediante una cadena respiratoria. En condiciones anaerobias, ya sea en bacterias o en céulas eucarióticas sometidas a condiciones de anoxia (como sucede en el músculo en condiciones anaerobias), el NADH extramitocondrial se oxida a NAD+ mediante la reducción del ácido pirúvico. 225

Estas etapas hacen posible que se produzca energía de forma anaerobia, denominándose fementaciones, y ocurren en el citosol.

RESPIRACIÓN AEROBIA DE LA GLUCOSA En los organismos aerobios, la glucosa comienza su

degradación oxidativa al

transformarse en dos moléculas de ácido pirúvico mediante la glucólisis; hasta aquí el proceso es idéntico al de los anaerobios. La diferencia estriba en que el empleo del oxígeno libera a las células de su esclavitud respecto al NADH obtenido en la glucólisis, ya que no es preciso utilizar el ácido pirúvico, o cualquier otro metabolito, como último aceptor de electrones que permita regenerar el NAD⁺. De esta manera, se puede aprovechar el alto contenido energético que aún posee el ácido pirúvico cuando se oxida totalmente hasta convertirse en CO² y H²O. Los procesos los podemos agrupar en tres fases: A. Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico. El ácido pirúvico produce la glucólisis y se encuentra en el citosol; de aquí pasará a la matriz mitocondrial a través de transportadores específicos de las membranas mitocondriales. La reacción de descarboxilación oxidativa consiste en la pérdida del grupo carboxilo, que se transforma en CO², y la oxidación del grupo ceto (-C=O) a grupo ácido (-COOH); al mismo tiempo, se aprovecha la energía liberada en la oxidación para formar un enlace rico en energía con el coenzima A, con lo que el productor final de la reacción es el acetil coenzima A. En esta reacción se produce NADH+H⁺, que servirá para obtener ATP en cadena respiratoria y oxidativa.

226

B. Ciclo de Krebs. Conocido también como el ácido cítrico o de los ácido tricarboxílicos, consiste en la oxidación total de los dos átomos de carbono del resto acetilo, que se eliminan en forma de CO2; los electrones de alta energía obtenidos en las sucesivas oxidaciones se utilizan para generar nucleótidos reducidos de NAD y FADH². El balance final del ciclo de Krebs es el siguiente: por cada molécula de acetil CoA que se oxida (dos átomos de carbono) se desprenden dos moléculas de CO2 y se obtiene una molécula de GTP, otra de FADH² y tres de NADH (hay que tener en cuenta en el balance total que por cada molécula de glucosa se obtienen dos moléculas de acetil CoA); se consume además dos moléculas de agua.

227

C. Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa. Como NAD⁺ y FAD están en cantidades muy pequeñas en las células, no pueden estar en forma de NADH+H⁺ y FADH2, pero eso hay que recuperar sus formas oxidadas (NAD⁺, FAD), sino fuera así el ciclo de Krebs se paralizaría. La cadena respiratoria o transportadora de electrones y protones consigue recuperar estas formas oxidadas. La cadena respiratoria está formada por una serie de moléculas, los transportadores de protones (H⁺) y los transportadores de electrones, englobadas en las membranas de las crestas mitocondriales (cara matriz). Tras reducirse y oxidarse transfieren los protones y electrones del sustrato hasta el oxígeno molecular que se reduce, formándose agua. Como resultado de esta transferencia de electrones, se produce un bombeo de protones hacia el espacio intermembranoso, apareciendo una diferencia de potencial respecto al contenido en la matriz. Debido a la impermeabilidad de la membrana interna, el retorno de protones a la matriz solo se puede hacer a través de una proteína ATP-sintetasa. Esta proteína utiliza la energía acumulada en el gradiente de protones para fosforilar el ADP y transformarlo en ATP. Este proceso se denomina fosforilación oxidativa y permite almacenar en forma de ATP ña energía contenida en las moléculas de NADH y FADH² que se liberan en glucólisis, descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico y ciclo de Krebs. Los electrones fluyen desde el NADH hasta el oxígeno por medio de los transportadores de electrones reunidos en tres complejos: •

Complejo I-NADH-Q reductasa.

•

Complejo III- Citocromo reductasa.

•

Complejo IV- Citocromo oxidasa.

El FADH² lo hace con el complejo II-Succiato-Q reductasa.

FOSFORILACIÓN Se entiende por fosforilación la formación de ATP. Puede estar asociada al catabolismo o la anabolismo. En el primer caso es el fin de los procesos catabólicos. 228

Mientras que en el anabolismo es el paso necesario para la reducción de la materia inorgánica a orgánica, no el fin.

ASOCIADA A CATABOLISMO •

A nivel de sustrato: se da en reacciones que aprovechan la energía de la oxidación para unir un fosfato inorgánico a un nucleótido difosfato, generalmente ADP o GDP. Se dan dos en glucólisis y una en ciclo de Krebs (succinil-CoA a succínico).

•

Fosforilación oxidativa: en ella las moléculas de NADH+H⁺ y FADH² obtenidas en glucólisis, descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico y ciclo de Krebs, ceden los electrones a un aceptor de una cadena transportadora el cual lo pasa a otro por último al oxígeno que se reduce a H²O. La energía desprendida en esta transferencia de electrones es utilizada para la formación de ATP.

La reacción global puede expresarse así: NADH+H⁺ + 1/2² ---> H²O + NAD⁺

ASOCIADA AL ANABOLISMO. Fotofosforilación: formación de ATP a partir de ADP+Pi, acoplada al flujo de electrones promovido por la luz. Se utiliza la energía desprendida en la transferencia de electrones en los fotosistemas para la formación de ATP. BALANCE ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN CELULAR. Cerca del 40% de la energía liberada de la oxidación de la glucosa se utiliza en convertir el ADP y el fosfato inorgánico en ATP. La célula viva es considerablemente más eficaz que cualquier motor, que puede perder hasta el 75% de la energía que se le proporciona, La mayor eficacia que se da en la célula se debe principalmente a que la liberación de energía se produce en una serie de reacciones en cadena, en cada una de las cuales tiene lugar un cambio de energía pequeño. 229

Es importante tener en cuenta que el gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna puede utilizarse para otros fines diferentes a la síntesis de ATP. Por ello, los datos que se exponen representan los valores de rendimiento energético máximo por cada molécula de glucosa. •

La glucólisis rinde dos moléculas de ATP directamente y dos moléculas de NADH que están fuera de la mitocondria. En presencia de oxígeno, los electrones

de

NADH

extra-mitocondrial

entran

en

la

cadena

transportadora de electrones en la membrana mitocondrial interna gracias a la dihidroxiacetona fosfato, y son cedidos al FAD en la cadena transportadora de electrones en la membrana mitocondrial interna, donde el rendimiento es de dos moléculas de ATP por cada FADH2 oxidado. Por tanto, el rendimiento de la glucólisis, hasta el ácido pirúvico y en condiciones aerobias, es de 6 ATP. •

La conversión de ácido pirúvico en acetil-CoA en la matriz mitocondrial rinde dos moléculas de NADH por cada molécula de glucosa. Cuando los electrones de estas dos moléculas de NADH se transfieren a la cadena respiratoria, se producen 6 ATP.

•

En el ciclo de Krebs, ingresan dos moléculas de acetil-CoA y se forman dos de GTP (igual a 2 ATP), seis moléculas de NADH y dos de FADH2. La transferencia de electrones de estas seis moléculas de NADH y las dos de FADH2 proporcionan 22 ATP. Por tanto, en el ciclo de Krebs y en las cadenas respiratorias a él asociadas, por cada molécula de glucosa se forman 24 ATP.

El rendimiento medio total que produce la oxidación completa de una molécula de glucosa es de 36 moléculas de ATP. De ellas. Solo dos se origina fuera de la mitocondria como resultado de la glucólisis. Además, todas, excepto cuatro, se producen como consecuencia de la transferencia de electrones del NADH y el FADH2 a través de la cadena transportadora de electrones.

230

La oxidación de la glucosa produce unas 680 kilocalorías por mol de glucosa. Como en los enlaces fosfato del ATP se retienen unas 266 kilocalorías, resulta un rendimiento de casi el 40%. El ATP formado en la mitocondria atraviesa la membrana mitocondrial interna a través de un transportador específico de la propia membrana, que acopla la salida de ATP con la entrada de ADP a la matriz mitocondrial. FERMENTACIONES Fermentación: Degradación parcial de la glucosa, con un aceptor final de electrones diferente al oxígeno (ácido pirúvico y acetilaldehido). 1. Aceptor final de electrones: ácido pirúvico. Fermentación homoláctica. a. Se recupera NAD⁺, necesario para que pueda seguir realizándose la glucólisis. b. Se obtiene 2ATP (fosforilación a nivel de sustrato, en la glucólisis). Microorganismos que realizan esta fermentación: Lactobacillus bulgáricus, Latobacillus casei y Streptococcus lactis. Los microorganismos obtienen la energía de la lactosa de la leche en dos fases: 1. La lactosa se hidroliza, mediante el enzima lactasa, que suministra glucosa y galactosa; a su vez, la galactosa se isomeriza y se convierte en glucosa. 2. En esta fase, toda la glucosa se transforma en ácido pirúvico mediante la glucólisis; a partir de aquí, la etapa característica de la fermentación láctica consiste en la reducción del ácido pirúvico, que es el último aceptor de electrones, por el NADH y su transformación en ácido láctico, que es el producto final de este proceso. El balance de fermentación es: 1glucosa ---------> 2 ácido láctico +2 ATP.

231

Este tipo de fermentaciones es la base de las industrias de algunos derivados lácteos como el yogur y Kéfir. En estos casos, los microorganismos se desarrollan en la leche en condiciones controladas, y el ácido láctico que liberan provoca la acidificación de la leche; en estas condiciones de pH, la caseína de la leche se desnaturaliza y precipita. También se produce fermentación homoláctica en el músculo estriado de los animales cuando no hay un aporte de oxígeno adecuado. En condiciones normales el músculo trabaja en aerobiosis, es decir, la glucosa se transforma mediante glucólisis en ácido pirúvico y este metabolismo continúa su oxidación en la mitocondria, mediante el ciclo de Krebs, hasta convertirse en CO² y agua (oxidación total). Sin embargo, cuando el organismo realiza un ejercicio brusco (gimnasia, marcha, carretera, etc.), sobre todo si no ha tenido un entrenamiento previo que le permita acomodar el ritmo respiratorio a la cantidad de glucosa que oxida, al cabo de un tiempo la cantidad de glucosa que oxida es superior al aporte de oxígeno, lo que obliga al tejido muscular a trabajar en condiciones anaerobias y utilizar los NADH producidos en la glucólisis para reducir el ácido pirúvico, que se transforme en ácido láctico. La acumulación de este ácido provoca una disminución de pH que interfiere en el mecanismo de contracción muscular (unión actinamiosina) y es responsable de la fatiga muscular y la aparición de agujetas.

2. Aceptor final de electrones: acetaldehído. Fermentación alcohólica. Se lleva a cabo por levaduras del género Sacharomyces, que transforman la glucosa procedente de diversas fuentes hidrocarbonadas en alcohol etílico y CO2 El ácido pirúvico producido en la glucólisis sufre una descarboxilación, transformándose en acetaldehído, el metabolito que actúa como último 232

aceptor de electrones, y es reducido por el NADH a etanol. Al igual que en la fermentación anterior, se recupera NAD⁺ y se forman 2 moléculas de ATP. Fermentación heteroláctica. Se da conjuntamente los dos tipos de fermentaciones vistas y se rinde al final etanol, CO² y ácido láctico.

OTRAS RUTAS METABÓLICAS. OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS. Los ácidos grasos son moléculas que se suponen importantes depósitos de energía metabólica. El acontecimiento inicial en su utilización consiste en la hidrólisis –que tiene lugar en el citoplasma- de los triacilglicéridos por acción de las lipasas, originándose glicerol y los correspondientes ácidos grasos. El glicerol resultante se fosforila y oxida a dihidroxiacetona-fosfato, compuesto capaz de isomerizarse a gliceraldehído-3P, que es un intermedio que se incorpora directamente a la vía glucolítica. ß-OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS. Antes de ser oxidados, los ácidos grasos se activan en la membrana mitocondrial externa uniéndose a la coenzima A, en una reacción catalizada por el acil-CoA sintetasa o ácido graso tioquinasa. El catabolismo de los ácidos grasos tiene lugar en la matriz mitocondrial y en los peroxisomas; el proceso consiste en la oxidación del carbono ß de la molécula, eliminándose de forma secuencial unidades de dos átomos de carbono. Por ello, el proceso recibe el nombre de ß-oxidación, porque es el carbono ß (C³) el que sufre la oxidación progresiva. También se denomina hélice de Lynen, en honor de uno de sus descubridores, y porque en esta ruta metabólica se van repitiendo los mismos pasos, pero con una molécula cada vez más corta. 233

En el mecanismo de transporte de los ácidos grasos activados a través de la membrana interna interviene la carnitina, que actúa como lanzadera a través de la membrana interna de la mitocondria por acción de una translocasa. ESQUEMA GENERAL DE LA ß-OXIDACIÓN. Este proceso de catabolismo del ácil-CoA se desarrolla en una secuencia repetitiva de las cuatro siguientes reacciones: Oxidación del ácil-CoA, ligada a la formación de FADH² en una reación catalizada por la acil-CoA deshidrogenasa, para formar enoil-CoA con un doble enlace entre los carbonos 2 y 3. Hidratación del doble enlace en una reacción catalizada por la enoil-CoA hidratasa, para formar ß-hidratación-CoA. Oxidación catalizada por la ß-cetoacil-CoA en una reacción que cataliza la tiolasa, conduciendo a la formación de acetil-CoA acortando en dos átomos de carbono. El acetil-CoA se incorpora directamente al ciclo de Krebs, mientras que el resto (acilCoA acortado en dos carbonos) experimenta un nuevo ciclo de oxidación. Por tanto, la ß-oxidación consigue que de un ácido graso saturado se liberen, dentro de la mitocondria, tantas unidades de acetil-CoA com permita su número par de átomos de carbono.

ANABOLISMO. FOTOSÍNTESIS. La fotosíntesis, en sentido estricto, es la conversión de la energía luminosa en energía química (ATP) y poder reductor (NADPH), que pueden utilizarse para la síntesis de materia orgánica. Podemos decir que consta de dos fases, una la transformación de energía luminosa en química, que tiene lugar en las membranas de los tilacoides en

234

presencia de luz (fase lumínica), y otra, la reducción de la materia inorgánica en orgánica (fase oscura), que tiene lugar en el estroma del plasto sin necesidad de luz. La fotosíntesis es posible gracias a la existencia de unas moléculas especiales, denominadas pigmentos fotosintéticos, capaces de captar la energía luminosa. Si un fotón choca con un electrón de un pigmento fotosintético, este electrón capta la energía del fotón y salta a posiciones más alejadas del núcleo, pudiendo perderse y dejar ionizado al átomo. El pigmento que contiene dicho átomo queda con un defecto de electrones (oxidado), por lo que tendrá que reducirse para poder ser excitado de nuevo. La molécula que le cede los electrones se denomina primer dador de electrones. Los electrones perdidos, cargados con la energía del fotón pasan a una molécula denominada primer aceptor de electrones y luego liberar dichos electrones. Durante este proceso se libera la energía captada, que se aprovecha para la síntesis de ATP, en cuyos enlaces queda almacenada. El último aceptor de electrones es el NADP+ que pasa a NADPH, que se utilizará en la fase oscura para la reducción de la materia inorgánica a orgánica, junto con el ATP. Se distinguen dos tipos de procesos fotosintéticos: la fotosíntesis oxigénica y la anoxigénica. La primera es propia de plantas superiores, algas y cianobacterias, en las que el primer dador de electrones es el agua y, consecuentemente, se desprende oxígeno. La anoxigéncia o bacteriana es propia bacterias purpúreas y verdes del azufre, en las que el dador e electrones no es el agua, sino, generalmente el sulfuro de hidrógeno, H2S, por lo que no se desprende oxígeno. ORIGEN Y CONSECUENCIAS DE LA FOTOSÍNTESIS. ORIGEN DE LA FOTOSÍNTESIS. La primitiva atmósfera de la tierra era de carácter reductor y estaba compuesta por gases, como metano, hidrógeno, amoníaco, nitrógeno, y vapor de agua. La radiación ultravioleta del Sol provocó numerosas reacciones, que dieron lugar al CO2 y a las moléculas orgánicas, que son la base de la vida. 235

El origen de la vida y, por lo tanto, de las células, se sitúa en un caldo primitivo rico en los compuestos orgánicos formados. Las primeras células serían heterótrofas y aprovecharían las sustancias presentes en el medio. Su metabolismo sería anaerobio con mecanismos como las actuales fermentaciones. Pero los compuestos orgánicos

se fueron agotando y algunas células pudieron

sobrevivir gracias a que eran capaces de utilizar una energía inagotable, la luz, para producir las moléculas orgánicas necesarias. Surge así la fotosíntesis. CONSECUENCIAS DE LA FOTOSÍNTESIS. Las consecuencias que tuvo en el medio la aparición de la fotosíntesis no se hicieron esperar. •

Además de los compuestos orgánicos, la fotosíntesis forma como subproducto el oxígeno molecular (O2), que poco a poco se fue acumulando en la atmósfera de la Tierra, que cambia de composición y adquiere así un carácter oxidante.

•

La acumulación de O2 terminó con conducir a la formación de una delgada capa de ozono (O3), que absorbe gran cantidad de la radiación ultravioleta, lo que permite que los organismos alcancen lugares descubiertos, sin la protección de rocas o de capas de agua.

•

El carácter oxidante de la atmósfera hace necesaria la adaptación de los anaerobios a la nueva situación. Muchos sucumben, puestos que el oxígeno es un oxidante que bloquea mecanismos anaerobios (hoy quedan los anaerobios estrictos). La adaptación

lleva consigo el desarrollo de procesos de

detoxificación (origen de los peroxisomas). •

La adaptación a la nueva atmósfera provoca la sección de algunas células capaces de utilizar el O2 para obtener más energía de los compuestos orgánicos y de aprovechar los formados por las fotosintéticas. Aparecen, así, los nuevos heterótrofos aerobios y su mecanismo metabólico, la respiración celular.

•

La respiración celular utiliza el O2 y los compuestos formados por los organismos fotosintéticos y produce CO2. Así, los productos de los

236

fotosintéticos son utlizados por los heterótrofos aerobios, y viceversa. La evolución conjunta de ambos confecciona el actual ciclo equilibrado de la vida. Como en la realidad, los organismos fotosintéticos son los productores de materia orgánica más importantes, la vida sobre el planeta tiene su base en ellos. De ahí su importancia ecológica. Sin embargo, no conviene olvidar que necesitan CO2, producto de la actividad de los animales. El equilibrio ecológico puede romperse por cualquier lugar, aunque la desertización, la lluvia ácida y otros efectos de la actividad humana, hacen d este estabón el más débil de la pirámide ecológica.

FOTOSISTEMAS. Un fotosistema es la unidad estructural y funcional encargada de utilizar la energía de la luz para la realización de un trabajo químico; está constituido por la asociación de un CCl, un dador y un aceptor de electrones, junto con una serie de transportadores electrónicos encargados de transferir los electrones desde el dador hasta el aceptor. El mecanismo de captura de la energía lumínica es el mismo en cada uno de los dos fotosistemas (I y II): los pigmentos de cada unidad absorben luz de cierta longitud de onda (según su espectro de absorción) y se excitan, es decir, desplazan un electrón hasta un nivel energético superior. La estrecha asociación establecida entre los pigmentos del CCL permite que la energía de excitación se transfiera a las moléculas de clorofila del centro de reacción (P-700 y P-680), que son los verdaderos pigmentos fotoactivos. Estos, a su vez, absorben la energía canalizada de los restantes componentes de la antena solar y también se excitan, de manera que el electrón inicialmente desplazado no vuelve a su posición primitiva (con emisión de fluorescencia o calor), sino que se transfiere a un aceptor electrónico (que se reduce). Como consecuencia de la pérdida de este electrón, aparece en la molécula de clorofila un agujero cargado positivamente, que, de forma inmediata, se vuelve a llenar con otro electrón procedente de un dador localizado en su proximidad. 237

En cada fotosistema son distintos el dador y el aceptor de electrones, los transportadores electrónicos y los componentes del CCL: •

En el fotosistema I, el P-700 cede su electrón a un aceptor primario denominado componente X, y lo recupera de un dador llamado plastocianina; mientras que su antena absorbe la energía fotónica cuya longitud de onda es como máximo de 700 nm.

•

El fotosistema II, el P-680 cede su electrón a un aceptor conocido con el nombre feofitina, y lo recupera de la molécula de agua que actúa como el dador de electrones; por su parte la antena absorbe la energía fotónica cuya longitud de onda es como máximo de 680 nm, decir, no absorbe la luz del rojo lejano.

Esta circunstancia es responsable del fenómeno descrito como declive del rojo, que expresa que la eficacia de la fotosintética disminuye significativamente cuando se ilumina con luz de longitud de onda correspondiente al rojo lejano (superior a 680nm), ya que en este caso solo actúa el fotosistema I y no el fotosistema II, que es el más eficaz. En las algas y las plantas existen dos vías alternativas para el flujo de electrones, según se activen las dos fotosistemas o solo funcione el primero de ellos, denominadas, respectivamente, fotofosforilación no cíclica y cíclica. CAROTENOS. Los carotenos son pigmentos anaranjados cuya estructura terpénica está formada por dos moléculas de vitamina A unidas; a su vez, son presursores de las olésculas de retino que actúan como pigmentos fotosensibles en la visión de los animales. Resulta interesante destacar esta convergencia evolutiva en el nivel molecular entre dos procesos de fotorrecepción más característicos, la fotosíntesis en las plantas y la visión en los animales, que utilizan sustanciasde la misma naturaleza para captar los fotones correspondientes a la parte del espectro visible por el ojo. Los carotenos, junto con las ficobilinas, actúan como colectrones suplementarios de luz para porciones del espectro visible que no estén cubiertas completamente por la 238

clorofila, pues cada pigmento

posee un color que corresponde a la radiación

complementaria a y la luz absorbida; así, por ejemplo, las clorofilas son verdes porque absorben la luz roja (entre 680 y 700 nm); los carotenos, anaranjados y amarillentos porque absorben la luz azul (entre 400 y 450), etc. Los carotenos protegen además a las clorofilas de la fotooxidación por el oxígeno molecular. FASE LUMINOSA. FOTOFOSFORILACIÓN NO CÍCLICA. •

Cuando la luz incide en el fotosistema II, se produce la excitación del P-680, de forma que los electrones excitados se ceden a la feofitina. A partir de aquí deben considerarse dos trayectorias: o Por una parte, los huecos positivos generados en el P-680 se llenan con electrones procedentes del agua. Por medio de un sistema todavía no muy bien conocido se produce la fotolisis del agua, de manera que los electrones se ceden a través de un componente intermediario Z y regeneran el estado reducido del P-680, mientras que los protones permanecen en el espacio tilacoidal. o Por otra parte, los electrones excitados que capta la feofitina (Fe) se ceden a una cadena transportadora electrónica, formada por los siguientes elementos: quionina (Q), platoquinona (PQ), complejo citocromo b6-citocromo f y plastocianinca (PC). La energía desprendida en la transferencia electrónica entre el citocromo b6 y el citocromo f se utiliza para la síntesis de ATP (fotofosforilación).

•

Cuando la luz incide en el fotosistema I se excita el P-700 y, de nuevo, hay dos trayectorias posibles: o Por un lado, los electrones excitados se ceden a un aceptor X, de naturaleza desconocida; desde aquí se transfieren a la ferredoxina (Fd), luego a la ferredoxina-NADP+-reductasa(que posee FAD como coenzima) y, por último, el NADP+, que reduce a NADPH+H+.

239

o Por otro lado, el P-700, a expensas de la plastocianina (PC), recupera sus electrones, que, en último término, proceden de la fotolisis del agua. Los cuatro fotones se captan en dos etapas sucesivas: dos en el fotosistema II y otros dos en el fotosistema I, de manera que el par de electrones procedentes del agua se ve impulsado cuesta arriba en dos ocasiones sucesivas: desde el P-680 hasta el feofitina, en el fotosistema II, y desde el P-700 hasta el aceptor X, en el fotosistema I.

•

Síntesis de NADPH (poder reductor). En cada fotosistema, la energía de la luz absorbida por la clorofila del centro de reacción no se disipa en forma de calor o fluorescencia, sino que es utlizada para impulsar un flujo de elecrones que circula, en la fotosíntesis, desde el dador (agua) hasta el aceptor (NADP+), en sentido contrario a como lo hace en la cadena respiratoria mitocondrial; es decir, desde los sustratos con potenciales redox más positivos, como el agua hasta el NADP+, que se reduce a NADPH y tiene un potencial redo más negativo. De esta forma, la fotosíntesis transforma un donante de elctrones débiles, como el agua, en otro fuerte, el NADPH, que constituye el poder reductor utilizando posteriormente en las reducciones asimilatorias de la fase oscura.

•

Síntesis de ATP (fotofosforilación). En cuanto a la síntesis de ATP, hemos de considerar que son muy parecidos los mecanismos que la efectúan en los cloroplastos con el impulso de la luz y aquellos otros que tienen lugar en la respiración mitocondrial. En la fotofosforilación la energía desprendida en algunos pasos del transporte electrónico se aprovecha para bombear protones desde el estroma al interior del tilacoide; con ello se genera un gradiente electroquímico, de tal forma que, cuando los protones atraviesan la membrana tilacoidal en favor del gradiente, lo hacen a través de una sistema ATP 240

sintetasa, localizado en las granulaciones de la membrana tilacoidal, que se encarga de utilizar la fuerza protonmotriz para la síntesis de ATP. La ecuación global del proceso no cíclico es la siguiente: H2O – 4 fotonoes (hv) -> ½ O2 +2H+ +2eNADP+ + 2H+ + 2e- + H+ Los impactos fotónicos sucesivos, en el fotosistema I y en el II, logran transformar los electrones del H2O, de bajo poder reductor, en electrones del NADPH, de alto poder reductor FOSFORILACIÓN CÍCLICA La reducción del CO2 que conduce a la síntesis de glucosa en el ciclo de Calvin, requiere mayor cantidad de ATP que de NADPH; para conseguirla, los cloroplastos disponen de este sistema, en el que los electrones de la ferredoxina no se dirigen hacia la reducción del NADP+, sino que son transferidos a la plastoquinona (PQ), y aquí al complejo citocromo b6-citocromo f, a la plastonianína y, de nuevo al P-700. En este proceso cíclico la energía que proporcionan los fotones, suya longitud de onda es, como máximo, de 700nm, arranca al P-700 un electrón, que retorna a la misma posición a través de un conjunto de transportadores que describen un flujo cíclico. La energía liberada sólo se utiliza para la síntesis de ATP. En la fosforilación no cíclica intervienen los fotosistemas I y II, se producen NADPH (poder reductor) y ATP y hay desprendimiento de oxígeno; mientras que en la fotofosforilación cíclica solo actúa el fotosistema I, no se genera NADPH ni hay desprendimiento de oxígeno y únicamente se produce ATP. El carácter cíclico o no cíclico del flujo de electrones está regulado por la concentración de NADP`+: cuando es baja (hay acumulación de NADPH), se favorece el flujo cíclico; por el contrario, si aumenta (existe baja concentración de NADPH), el flujo no cíclico resulta beneficiado.

241

FASE OSCURA En la fase lumínica de la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en energía química que se almacena en los enlaces del NADPH y en el ATP. En la fase oscura o de biosíntesis, esta energía se utiliza para reducir el carbono y sintetizar glúcidos sencillos. Las reacciones de esta fase, sin embargo, se proceden sin necesidad de luz, y de ahí el nombre de este proceso. Estas reacciones requieren la presencia de NADPH y de ATP, que solo se forman en presencia de luz. La reducción del carbono tiene lugar en el estroma de cloroplasto gracias a una serie de reacciones cíclicas, que reciben el nombre de ciclo de Calvin en honor de su descubridor, Melvin Calvin. EL CICLO DE CALVIN O VÍA C3. El ciclo de Calvin es análogo al ciclo de Krebs, pues en cada vuelta del ciclo, el compuesto inicial se regenera. El compuesto inicial del ciclo de Calvin es un glúcido de cinco carbonos combinado con dos grupos fosfato, la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP). El ciclo comienza cuando el dióxido de carbono se une a la RuBP, escindiéndose inmediatamente en dos moléculas de ácido 3-fosfoglicérido o PGA; una de las cuales contiene la molécula de CO2 recién adicionada. Como el PGA fue uno de los intermediarios primeramente identificados y contiene tres átomos de carbono, el ciclo se conoce también como vía C3. Tanto la condensación de la RuBP con el CO2 como su escisión en dos moléculas de PGA tienen lugar en el estroma, gracias a la intervención de una de las enzimas más abundantes en la biosfera: la Ribulosa 1,5 bisfosfato carboxilasa oxiganasa, más conocida como rubisco. Como su nombre indica, esta enxima puede actuar de dos formas. En la fase oscura actúa como carboxilasa. El ciclo se inicia con tres moléculas de CO2. El siguiente paso en el ciclo de Calvin es la reducción del PGA a gliceraldehído-3-fosfato (GAP), utilizando el NADPH y el ATP formados en la fase lumínica. Se puede comprobar que por cada tres moléculas fijadas de CO2 se producen seis moléculas de GAP. Esta reducción del carbono consta de dos pasos sucesivos: en primer lugar, se produce la fosforilación de las seis moléculas de GAP para formar otras seis de ácido-1,3-bisfosfoglicérico (BPG) en una reacción que requiere la energía suministrada por seis moléculas de ATP; a continuación, el BPG 242

sufre una reducción en una reacción en la que los electrones son suministrados por seis moléculas de NADPH para formar, finalmente, seis moléculas de gliceraldehido-3fosfato (GAP). De estas seis moléculas de GAP, solo una de ellas se utiliza para sintetizar glúcidos en el citosol, que se pude considerar el producto de las reacciones de la fase oscura. Las otras cinco moléculas restantes de GAP se convierten finalmente en tres moléculas de ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), que pueden de nuevo actuar como aceptores de tres moléculas de CO2 en un nuevo ciclo. La regeneración de la RuBP requiere la hidrólisis de tres moléculas de ATP. El gliceraldehido 3-fosfato puede servir para la formación de glucosa o de fructosa, siguiendo una ruta metabólica muy similar al proceso inverso de la glucólisis. Además, las moléculas de GAP pueden alternativamente, pasar al citoplasma e ingresar en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos para suministrar energía metabólica, pero también pueden permanecer en el cloroplasto y servir para la síntesis de otros glúcidos, grasas, aminoácidos y bases nitrogenadas. BALANCE ENERGÉTICO. 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP  1 Hexosa + 12 NADP+ + 18 ADP +18 Pi

FOTORRESPIRACIÓN. EL ENZIMA RUBISCO. Desde hace tiempo se conoce que la ribulosa-1,5-difosfatocarboxilasa es una enzima que se activa por la luz y es inhibido por el oxígeno. El O2 actúa como un inhibidor competitivo, de forma que el enzima presenta dos actividades alternativas sobre la ribulosa-1,5-disfosfato: •

En presencia de CO2 realiza la carboxilación vista en el ciclo de Calvin. Proceso fotosintético normal

243

•

En presencia de O2 cataliza la oxidación de la ribulosa, de la que resulta 3fosfoglicérido (3PG) y un compuesto carboxílico, el fosfoglicolato, que se oxida en los peroxisomas y que puede dar lugar, entre otros productos, a CO2.

Al fenómeno por el cual se produce la oxidación de la ribulosa se le denomina fotorrespiración, puesto que es favorecido por la luz, consume oxígeno y produce CO2. La fotorrespiración representa una pérdida de eficacia de la fotosíntesis debida a esta “imperfección” enzimática, difícil de explicar. La rubisco carboxila u oxida a la Ru-1,5diP en función de las concentraciones de CO2 y O2 del medio. El enzima, que surge en los comienzos de la evolución biológica, cuando la atmósfera contenía abundante CO2, pero sobre todo carecía de O2, no estaba “preparado” para el enriquecimiento progresivo en oxígeno, consecuencia de la fotosíntesis. Otro factor que favorece este desvío de la rubisco es la temperatura. Las plantas tropicales y de climas cálidos tendrían grandes pérdidas debidas a la fotorrespiración si no fuera porque han desarrollado un mecanismo para concentrar y fijar el CO2. Se trata del ciclo de Hatch y Slack, que se basa en la actividad coordinada de dos tipos de células de la hoja. Las primeras son las células del mesófilo, que rodean a las segundas que forman la túnica vescular, que a su vez, circulan a los vasos conductores. Las células del mesófilo reciben el CO2 que penetra por los estomas y lo incorporan para formar una molécula de cuatro carbonos, el oxolacetato. En la túnica vascular, el CO2 entra en ciclo de Calvin, tal y como se ha descrito con carácter general. Los vegetales que emplean esta via se denominan plantas C4, puesto que incorporan inicialmente el CO2 en un compuesto de cuatro carbonos, a diferencia de las C3, que lo incorporan en el 3PG. El problema de la fotorrespiración se soluciona así ya que el CO2 se encuentra concentrado en las células en donde se lleva a cabo el ciclo de Calvin. Esta vía C4 emplea más energía que la C3, como se observa en el balance conjunto de los ciclos de Hatch y Slack y de Calvin:

244

6 CO2 + 30 ATP + 12 NADPH + 12 H2O - C6H13O6 + 30 ADP +30 Pi + 12 NADP+ + 12 H+ Las consecuencias de la alternativa que presentan las plantas C4 son: •

Menor pérdida por fotorrespiración.

•

Crecimiento rápido.

•

Menor pérdida de agua por los estomas.

•

Mayor gasto energético.

Otras plantas que emplean mecanismos especiales de fijación de CO2 son las que viven en ambientes muy secos. Abren los estomas por la noche, fijan el CO2 en forma de malato en una vacuola y evitan la pérdida de agua cerrando los estomas durante el día. Son las llamadas plantas CAM (metabolismo ácido de las crasuláceas).

LAS PLANTAS C4. Las plantas C4, que se denominan así porque el primer intermediario de su metabolismo es un compuesto de cuatro átomos de carbono (ácido oxalacético), han desarrollado una innovación evolutiva. El conjunto de reacciones por el que las plantas C4 fijan el CO2 se denomina Ciclo de Hatch-Slack o vía C4; consiste en una fijación provisional del Co2 en las células del mesófilo, para transportarlo después a las células envolventes del haz donde tiene lugar la vía C3. QUIMIOSÍNTESIS. Los organismos son capaces de sintetizar materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos son autótrofos. Los fotosintéticos utilizan la luz como fuente de energía necesaria para llevar a cabo este proceso. Otros, los quimiolótrofos, realizan la quimiosíntesis. La quimiosíntesis consiste en la obtención de materia orgánica a partir de inorgánica y la energía desprendida de reacciones químicas redox exergónicas.

245

FASES DE LA QUIMIOSÍNTESIS La quimiosíntesis puede dividirse en dos fases, equivalentes a las fases lumínica y oscura de la fotosíntesis: •

Obtención de energía. Los organismos quimiolitótrofos la obtienen de reacciones inorgánicas en las que se produce una oxidación que desprende energía en forma de ATP y NADH.

•

Producción de materia orgánica. El ATP y NADH obtenidos en la fase anterior se utilizan para la síntesis de la materia orgánica por medio del ciclo de Calvin.

ORGANISMOS QUIMIOLITÓTROFOS. Los quimiolitótrofos presentan una serie de características que definen su actividad quimiosintética. •

Son solo procariontes. Solamente algunas bacterias son capaces de realizar la quimiosíntesis.

•

Viven de una fuente estrictamente inorgánica: agua, sales, O2, CO2, y de los compuestos inorgánicos de cuya transformación obtienen la energía.

•

La fuente de energía es una reacción específica. Solamente crecen con compuestos específicos de origen geoquímico o producido por la actividad metabólica de otros organismos.

•

Son aerobios. Utilizan el oxígeno molecular como último aceptor de electrones.

•

Sintetizan la materia orgánica por medio del ciclo de Calvin.

Este tipo de bacterias se agrupan e identifican por el tipo de oxidación de la que extraen la energía: •

Bacterias nitrificantes. Utilizan como sustrato compuestos de nitrógeno. Se distinguen dos tipos: nitrosomonas y nitrobacter.

•

Sulfobacterias. Oxidan azufre o compuestos reducidos de azufre.

•

Ferrobacterias. Son abundantes en ciertas charcas de agua dulce con sales reducidas de hierro.

246

Otras son las bacterias de hidrógeno, las que oxidan el metano, etc. IMPORTANCIA DE LOS ORGANISMOS QUIMIOSINTÉTICOS. Los organismos quimiosintéticos desarrollan un papel fundamental en la biosfera, puesto que participan como elementos clave de los ciclos biogeoquímicos. Inicialmente se creyó que los quimiolitótrodos eran organismos primitivos, pero si se tiene en cuenta que los primeros seres eran probablemente heterótrodos, y que su maquinaria bioquímica es tan compleja como la de otras bacterias, cabe considerar al metabolismo quimiosintético como evolucionado, además de construir una forma muy eficaz de independencia… hasta de una luz solar.

247

MICROBIOLOGÍA. CLASIFICACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS. REINO MONERAS: LAS BACTERIAS. Este reino agrupa todas las bacterias –de organización procariótica- cuyo tamaño oscila entre 0.1 y 50 µm. Pueden ser autótrofas o heterótrofas, y aerobias, anaerobias o anaerobias facultativas. Las bacterias son los organismos más antiguos, más extensos y más numerosos de la naturaleza. Se encuentran desde en los hielos polares, donde soportan condiciones de congelación, hasta en chimeneas asociadas a las dorsales oceánicas, donde el agua que las rodea alcanza los 350ºC; y desde hábitats salinos a manantiales de aguas ácidas, donde pueden crecer a temperaturas superiores a los 90ºC. Las bacterias aparecen individualizadas o pueden formar colonias. Atendiendo a su forma, se diferencian: •

Los cocos, cuanso son redondeados, como Staphylococcus aureus.

•

Los bacilos, de forma alargada y extremos romos, como Escherichia coli.

•

Los vibrios, cuando tienen forma de coma, como el Vibrio cholerae.

•

Los espirilos, en forma espiral, como la espiroqueta Treponema pallidum.

No todas las bacterias forman colonias, pero cuando esto ocurre es siempre el resultado de la división celular y la no separación posterior de las células hijas. Las agurpaciones de dos cocos o dos bacilos se llaman diplococos o diplobacilos. Las hileras de bacterias son estreptococos o estreptobacilos. Solo los cocos pueden formar colonias dispuestas en dos dimensiones, estafilococos, o en tres, sarcinas. Actualmente, se clasifica a las bacterias comparando las secuencias del ARN ribosómico, dado que son imprescindibles para la síntesis de proteínas y que no pueden sufrir muchas mutaciones sin resultar inviables. Cuantas más diferencias existan entre el ARN ribosómico de dos bacterias, más separadas estarán evolutivamente. La primera gran divergencia se produjo poco tiempo después de la 248

aparición de la vida sobre la tierra. Se formaron así las eubacterias, grupo del que descienden las células procarióticas actuales, y las arqueobacterias, semejantes a los primitivos coacervados y que aún hoy siguen ligadas a condiciones de vida bastante inhóspitas, semejantes a las de hace 3500 M.a.

Eubacterias. Este grupo incluye varias ramas evolutivas. Su enorme capacidad adaptativa las ha llevado a adquirir grandes y variados grados de especialización. Algunas pueden vivir en ambientes aerobios, y otras en ambientes anaerobios. Las llamativas facultativas viven indistintamente en las dos., Los grupos más antiguos agrupan bacterias termófilas, descendientes de aquellas que sobrevivían en las primeras fases de la aparición de la Tierra. •

Bacterias púrpuras y verdes. Son fotosintéticas anoxigénicas y aerobias.

•

Cianobacterias.

Llamadas

también

algas

verde-azuladas.

Fotosíntesis

oxigénicas. •

Micoplasmas. Son bacterias sin pared celular.

Arqueobacterias. La mayoría son anaerobias y viven en condiciones extremas. Las hay hialofílicas, que viven en las aguas saladas del mar Muerto; termofílicas, de las aguas termales y medios ricos en azufre y muganógenas, que viven en ambientes anaerobios. Morfología de las bacterias: flagelos. Son estructuras de locomoción que aparecen en número variable. Salen de las envueltas bacterianas, lo que genera, según su número y locomoción, bacterias monótricas (un solo flagelo), lofótricas (varios flagelos distribuidos en toda la superficie bacteriana) y perítricas (varios flagelos formando un penacho). Los flagelos constan de un cuerpo basal y de un largo filamento. El cuerpo basal es una especie de bastón en el que se engarzan cuatro discos: los dos primeros están incluidos en la membrana externa, pueden girar y transmiten así su movimiento al filamento. 249

Los otros dos discos son fijos y se sitúan en la capa de mureína y en la membrana interna. FISIOLOGÍA DE LAS BACTERIAS. La estructura procariótica permite a las bacterias llevar a cabo las funciones inherentes a cualquier ser vivo: nutrición, relación y reproducción. NUTRICIÓN. Las bacterias son el grupo de seres vivos más ampliamente distribuido en la naturaleza, por lo que presentan también la más amplia gama de formas de nutrición y metabolismo. Una misma especie puede presentar dos tipos de metabolismo diferentes en función de las condiciones del medio y la disponibilidad de alimento. Respecto al metabolismo, la fuente de carbono necesaria para sintetizar moléculas orgánicas, así como el origen de la energía empleada determinan cuatro tipos de bacterias. •

Bacterias fotoautótrofas. Son bacterias capaces de captar luz, gracias a que realizan la fotosíntesis anoxigénica (o bacteriana), es el caso de las bacterias verdes y púrpuras del azufre; u oxigénica (o vegetal), como las cianobacterias. Ambas utilizan CO2 como fuente de carbono. Las cianobacterias presentan mesosomas muy desarrollados, que hacen una labor similar a la de los tilacoides de los cloroplastos, y liberan oxígeno. De hecho, son los primeros organismos fotosintéticos de la biosfera, y se les considera responsables del cambio desde una atmósfera primitiva reductora a la atmósfera oxidante actual.

•

Bacterias quimioautótrofas. Obtienen la energía que liberan reacciones de oxidación

de

moléculas

inorgánicas

como

el

amoníaco

(bacterias

nitrosificantes), los nitritos (bacterias nitrificantes), el ácido sulfhídrico (bacterias del hierro). La fuente de carbono de todas ellas es el CO2. Es primordial para la vía la intervención de algunas de ellas en los ciclos biogeoquímicos o en la fijación de nitrógeno atmosférico.

250

•

Bacterias

quimiooganótrofas.

La

mayoría

de

las

bacterias

son

quimioorganótrofas, como todos los animales, los protozoos y los hongos. La energía procede, en este caso, de la oxidación de moléculas orgánicas, que también constituyen su fuente de carbono. Realizan metabolismo oxidativo si son aerobias, y fermentación cuando son anaerobias. También las hay facultativas que presentan las dos modalidades. Son, junto a los hongos, los seres descomponedores de la biosfera.

REPRODUCCIÓN Las bacterias son seres haploides que se reproducen asexualmente por bipartición. Previamente, se duplica el único

cromosoma que poseen, y un proceso de

estrangulación posterior genera dos células hijas generalmente idénticas. Una colonia es un clon de bacterias. En condiciones óptimas, una bacteria puede dividirse cada 20 minutos. Además de este tipo de reproducción, existen otros mecanismos, llamados parasexuales, en los que como en la reproducción sexual, si se produce intercambio de material genético entre individuos. Estos mecanismos, que proporcionan variabilidad genética son: •

Conjugación. Una bacteria donadora transmite ADN de sus plásmidos a través de pili sexuales a una bacteria receptora. Si en ella, el plásmido se integra en el cromosoma bacteriano recibe el nombre de episoma. En la transferencia posterior, esta bacteria puede pasar no solo el episoma, sino también parte de su propio material genético. Se calcula que Escherichia coli ha adquirido de esta manera un 18% de sus genes a lo largo de los últimos 100 Ma.

•

Transformación. Las bacterias pueden captar del medio, fragmentos de ADN procedentes de la lisis de otras bacterias o de otras células, e integrarlos en su cromosoma.

•

Transducción. En este caso. Las bacterias intercambian material genético mediante un virus transmisor, un bacteriófago. El virus se integra en el

251

cromosoma de la bacteria donadora iniciando un ciclo lisogénico. Cuando se separa de él para iniciar un ciclo lítico arrastra algunos genes que transmite a la bacteria receptora en la infección.

Los tres mecanismos implican recombinación genética entre el material genético propio y el añadido, lo que explica la variabilidad que pueden presentar algunas bacterias cuando conviven con otras especies. Por ejemplo, hay bacterias patógenas resistentes a los antibióticos, que han adquirido esta capacidad al convivir en el intestino con bacterias simbiontes que resisten la acción de estos fármacos. RELACIÓN. Las bacterias son sensibles a estímulos como la luz o las sustancias químicas del medio en el que viven. Si disponen de ellos, se desplazan con los flagelos (fototactismos o quimiotactismos); en caso contrario, reptan sobre sustratos sólidos con movimientos de contracción y dilatación. Si no pueden moverse y ante condiciones adversas del medio, fabrican una endospora, que es una estructura de resistencia que se forma en el interior de la bacteria. Protegen su ADN son una cubierta y reducen su metabolismo. Pudiendo resistir durante mucho tiempo temperaturas de hasta 80ºC, sequedad, acción de agentes químicos o radiaciones. Cuando las condiciones vuelven a ser favorables, las esporas germinan y general bacterias con todas sus funciones. ENDOSPORAS BACTERIANAS. Muchas bacterias unicelulares de forma bacilar, Gram+, aerobias y anaerobias, forman endosporas, que son unas estructuras que se originan en el interior de la célula bacteriana como respuesta a condiciones ambientales adversas. Una vez liberadas, por rotura de la célula vegetativa, se comportan como células latentes o de resistencia, en un estado llamado criptobiosis. Las bacgerias formadas de endosporas viven generalmente en el suelo. Hay especies patógneas que mayoritariamente causan enfermedades mediante toxinas (Clostridium 252

tetani, Clstridium botulinum, Bacillus antrhacis, causantes del tétanos, botulismo y ántrax). Las endosporas son muy resistentes al calor (soportan hasta 80ºC), a la sequedad, a las radiaciones ultravioletas e ionizantes y a muchos agentes enzimáticos químicos.

CONJUGACIÓN EN BACTERIAS. Mecanismo por el cual una bacteria le pasa algunos genes a otra bacteria a través de un pilus. Para que esto sea posible, la bacteria donadora debe poseer un plásmido (plásmido F, de fertilidad, que posee los genes necesarios para la transferencia de genes entre bacterias). Podemos encontrar tres tipos de bacterias respecto al plásmido libre en el citoplama bacteriano; las bacterias F-, sin plásmido y las bacterias Hfr (alta frecuencia de recombinación), con el plásmido integrado en el genoma bacteriano. Cuando una bacteria F+ se une con una F-, le pasa el plásmido F a través del pilus formado por la bacteria F+, Primero genera pilus y luego realiza la duplicación del plásmido a la vez que transmite el plásmido copia a la bacteria receptora, que pasa así a ser F+. Las bacterias Hfr también pueden pasar el plásmido a una bacteria F-, pero en este caso reduplica todo el cromosoma bacteriano, pasando el plásmido y parte del cromosoma bacteriano de la bacteria donadora a la receptora. No pasa todo el cromosoma bacteriano ya que el pilus pertenece durante un corto periodo de tiempo, desapareciendo antes de terminar la transferencia del cromosoma completo. REINO HONGOS Los hongos son organismos eucarióticos o pluricelulares, heterótrofos y dotados de pared celular, La pared celular contiene quitina, que es un polisacárido típico de exoesqueleto en los artrópodos.

253

Almacenan colágeno como sustancia de reserva glucídica, y aunque muchos parasitan a plantas y a animales, la mayoría de ellos son saprófitos y viven en el suelo contribuyendo junto con las bacterias a la descomposición´´on de la materia orgánica, En simbiosis con algas, forman líquenes. En los hongos unicelulares, la reproducción es asexual y por gemación. Los hongos pluricelulares producen esporas, que al germinar originan unos filamentos celulares denominados hifas. El conjunto de hifas forma el micelio. La reproducción sexual tiene lugar por esporas sexuales que se originan en basidios o en ascas. LEVADURAS. Son hongos unicelulares que forman colonias de células ovales dotadas de una pared gruesa. Se reproducen asexualmente por gemación. La levadura Saccharomyces cerevisiae desarrolla un ciclo diplohaplonte con alternancia de generaciones asexuales y sexuales. Saccharomyces lleva a cabo la fermentación alcohólica a partir de la que se obtienen productos para el consumo humano, como el vino, el vinagre, la cerveza y el pan.

LOS VIRUS. Los virus son partículas microscópicas sin estructura celular, constituidos por un fragmento de ácido nucleico al que rodea una cápsula proteína. Aunque no realizan las funciones de nutrición y relación, hecho por el que muchos científicos no los consideraban seres vivos, sí son capaces de reproducirse; aunque para ello necesitan los mecanismos metabólicos de una célula. Son, por tanto, parásitos intracelulares obligados con dos fases, una fase extracelular inerte y una fase intracelular activa. Componentes. Los virus están formados generalmente por la cápside o cápsida, que es una estructura proteica que rodea el material genético y está formada por las múltiples copias de una proteína llamadas captsómeros; material genético (ADN o ARN); y una envoltura de 254

naturaleza lipoproteica que no siempre se tiene y que es similar a la membrana plasmática. Los virus más simples solo llevan información para codificar ocho proteínas, y este número puede llegar a doscientas en los virus más complejos. Las proteínas pueden ser estructurales si están destinadas a la formación de la cápsida, pero las hay también enzimáticas cuando están implicadas en la síntesis de los ácidos nucleicos víricos. Existen también proteínas aglutinantes, que facilitan la adherencia a la membrana de la célula huésped. Una vez dentro de ellos, muchos virus utilizan el sistema enzimático de la célula para la síntesis de sus ARNm y de sus proteínas. Concepto de virón Un virón es un virus en fase extracelular, constituido en los casos más simples como los virus desnudos, por un ácido nucleico y una cápsida proteica. Los virus envueltos presentan, además, una envoltura externa. Es necesario que la partícula vírica esté completa para poder desarrollar la fase infectiva. Clasificación. Según las células a las que afecta. Dependiendo de si su huésped es una bacteria, una planta o un animal, se habla de bacteriófagos, virus animales o virus vegetales. Son los agentes causantes de numerosa enfermedades como la gripes, la hepatitis o el sida; pero en los últimos tiempos, y gracias a la biotecnología y a la ingeniería genética, se ha empezado a encontrarles aspectos positivos, como el hecho de ser vectores en la clonación de genes para fines terapéuticos o industriales, o su papel en la evolución de los seres vivos, al poder insertarse en el material genético de unos organismos y llevar información a otros. Debido a que no realizan todas las funciones vitales algunos científicos los han colocado a menudo en una posición entre lo vivo y lo inanimado. Para otros científicos, los virus aparecieron bastante después

de que surgiera la vida en la Tierra, y

representan un proceso de degeneración celular, como el que ocurre en otras formas parásitas. 255

Según el material genético. Los virus contienen ADN o ARN como ácidos nucleicos; nunca las dos en un mismo virus. Tienen una o más moléculas, circulares o lineales, mono o bicentenarios, todos los virus con genomas de ARN de cadena doble, e incluso algunos de cadena sencilla, presentan varias cadenas de ARN independientes, con genes distintos que codifican solamente una o dos proteínas. Esto es lo que se denomina genoma fragmentado. No se han descrito virus ADN con genoma fragmentado.

SEGÚN LA CÁPSIDA: MORFOLOCÍA VÍRICA Las cápsidas están formadas, en general, por múltiples copias de una o más proteína llamadas capsómeros. De este modo, un virus puede formar una cápsida grande o compleja con poca información genética. Una nucleocápsida es una cápsida junto al ácido nucleico que contiene. Los capsómeros se pueden ordenar según una simetría helicoidal o icosaédrica; existen: •

Los virus de simetría helicoidal están formados por una molécula de ácido nucleico que forma una espiral interna, y a la que se engarzan las miles de copias de una misma proteína, constituyendo una especie de vástago. El virus del mosaico del tabaco tiene simetría helicoidal.

•

Los virus icosaédricos son casi esféricos, L a estructura de la cápsida es un icosaedro, un poliedro regular formado por veinte triángulos equiláteros. Cada uno de ellos está constituido por capsómeros de dos tipos; los hexones, que son acúmulos de seis moléculas de proteína que se sitúan en las caras y aristas; y los pentones, formados por cinco proteínas y que ocupan los vértices. De ellos pueden salir fibras. El virus de la gripes es icosaédrico.

•

Los bacteriófagos son virus de estructura compleja que combina los dos tipos de isometría. La cabeza es isocaédrica y contiene el ácido nucleico. Tras un pequeño estrechamiento, aparece la zona caudal, de simetría helicoidal y contráctil, que termina en una placa basal dotada de espinas y fibras de anclaje. 256

Los virus envueltos presentan la envoltura, un recubrimiento membranoso exterior a la cápsida que procede normalmente de la membrana plasmática de la célula huésped, y que el virus adquiere al emerger de ella. Pero estructuras membranosas como la membrana nuclear, el retículo endoplásmico o las cisternas del aparato de Golgi pueden también formar parte de ella. La envoltura siempre lleva algunas glucoproteínas codificadas por virus, que tiene como misión el reconocimiento y la adherencia a la célula huésped.

MULTIPLICACIÓN VÍRICA. Los virus no desarrollan funciones de nutrición ni de relación porque no necesitan materia ni energía para crecer y su encuentro con las células es siempre fortuito. Pero necesitan de ellas para multiplicarse, y esto ocurre cuando el virón penetra en su interior y utiliza la maquinaria celular para formar nuevas partículas víricas. Esto es lo que se conoce como ciclo lítico, pero también puede darse un ciclo lisogénico o de infección persistente, que ocurre cuando el virus permanece en el interior de la célula huésped sin generar virus nuevos. CICLO LÍTICO. Aunque el término lítico alude al proceso de lisis celular con el que terminan muchos ciclos –en los que se liberan bruscamente muchos virus y sobreviene la muerte celular, no todos los ciclos líticos terminan así, ya que en muchos casos se produce una liberación paulatina de virus duramente la cual la célula sobrevive. Fases del ciclo lítico. •

Adsorción y penetración: esta primera fase requiere un proceso de adsorción previo en el que las proteínas de la cápsida o de la envoltura reconocen y se unen a receptores de la membrana de la célula huésped. La penetración puede suceder de varias formas. En muchos virus, solo penetra todo el virus por 257

endocitosis. Y en los virus envueltos, se produce una fusión de las membranas de la envuelta y de la célula hospedadora, y se libera la nucleocápsida en su interior. •

Síntesis del genoma y de las proteínas víricas: el virus utiliza todos los mecanismos de la célula huésped para replicar, transcribir y traducir su información genética. La replicación genera miles de copias del ADN vírico, mientras que la transcripción y traducción su información genética. La replicación genera miles de copias del ADN vírico, mientras que la transcripción y traducción genera enzimas destinadas a la propia replicación, factores de inhibición para detener la actividad celular, y de proteínas para formar las cápsidas. Esta fase se llama también de eclipse, porque los componentes del virus no pueden ser detectados en el interior de la célula afectada ni con el microscopio electrónico.

•

Maduración y ensamblaje: una vez sintetizados todos los componentes, los capsómeros se organizan para formar las cápsidas, y las copias del material genético se pliegan y penetran en ellas para formar los nuevos virus.

•

Liberación: un ciclo de infección termina con la liberación de los viriones mediante la lisis de la célula huésped, en el caso de los virus desnudos, o por proceso de formación de vesículas de exocitosis, cuando se trata de virus envueltos, Los virus liberados disponen inmediatamente de capacidad paran infectar a otras células.

CICLO LISOGÉNICO. Algunos virus se introducen en la bacteria huésped, pero no la destruyen; sino que integran su ácido nucleico en el cromosoma bacteriano y permanecen así, en estado de profago, replicándose con él cada vez que la bacteria se divide, pero sin que se generen nuevos virus. En este estado, la célula es inmune a nuevos ataques del mismo 258

virus. Esta situación se mantiene hasta que determinados agentes inductores (rayos X, radiación ultravioleta o agua oxigenada) provocan la separación del ácido vírico del cromosoma bacteriano, momento en el que se inicia un ciclo lítico. Este mismo proceso puede darse ocasionalmente en virus animales, y se habla entonces de provirus y de infección latente, en la que a diferencia de una respuesta lisogénica típica, se pueden producir algunas partículas víricas.

VIROIDES Y PRIONES. Hasta los años setenta, se pensaba en los virus como los agentes infecciosos más simples. Pero en 1967 se descubren los viroides, y más recientemente, 1982, los priones; partículas más sencillas, responsables de algunas patologías de las plantas y de ciertas enfermedades neurodegenerativas de los mamíferos, respectivamente. VIROIDES. Los viroides son los agentes infecciosos más pequeños que se conocen hasta el momento. Están formados por fragmentos de ARN monocatenario, constituidos por menos de 400 nucleótidos con varios bucles debidos a trozos de la secuencia con bases complementarias. No tienen ningún tipo de recubrimiento proteico. Parasitan a plantas, pero no actúan como ARN, sino interfiriendo la expresión de algunos genes, y no se traducen nunca a proteínas. Las enfermedades que causan no difieren demasiado de la que producen los virus. Atacan al limonero, al aguacate, a la planta del tabaco, a la del pepino y al cocotero, en los que generan malformaciones, necrosis, clorosis o moteados de hojas. También deformaciones en tallos y frutos, y enanismo en general. Los viroides son transmitidos por insectos o por material agrícola infectado. PRIONES. Los priones son moléculas infecciosas de proteína que se sitúan en la membrana de las neuronas. Son causa de enfermedades como el síndrome de Creutzfeldt-Jakob y el 259

kuru en el humano, así como la encefalitis espongiforme bovina o la tembladera de las ovejas. Cuando estudian cerebros de especies afectadas por estas patologías, se encuentra siempre una variante de una proteína normal conocida como la “proteína de prión” (Prp), formada por una cadena de 250 aminoácidos. Las diferencias entre ambas se encuentran en determinados fragmentos que en la proteína normal se enrollan como α- hélice, mientras que en la Prp aparecen con estructura de lámina βplegada. El número de priones aumenta cuando estos entran en contacto con moléculas nomales y las vuelven infectivas, en una reacción en cadena o efecto dominó que extiende la infección. Se desconoce el mecanismo del cambio en la proteína, la posible mutación del gen que la codifica o de las vías de contagio entre individuos, incluso entre especies. La encefalitis espongiforme bovina, o mal de las vacas locas se identificó en el Reino Unido en 1986. Los cerebros de vacas alimentadas con pienso que contenían restos de ovejas afectaras de tembladera mostraban huecos como los de una esponja. El síndrome de Creutzfeldt-Jakob produce demencia, degeneración neuronal y pérdida de coordinación en el humano. La aparición en 1994 de síndrome de varios pacientes que habían consumido carne de vacuno afectada por l mal de la vacas locas permite sospechar una relación entre ambas. El kuru es una enfermedad endémica de la tribu Fore de Papúa Nueva Guinea. También causa degeneración cerebral y es letal. Se contrae por prácticas de canibalismo ritual existentes en la tribu.

260

LOS MICROORGANISMOS EN LA BIOSFERA. IMPORTANCIA DE LOS MICROORGANISMOS. La gran importancia de los microorganismos en la biosfera se concreta en los siguientes aspectos: •

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Su gran diversidad les convierte en habitantes de todos los ecosistemas; desde el aire, el agua o el suelo, hasta la superficie o el interior del cuerpo de otros seres vivos; desde hábitats en que coexisten con otras formas de vida, hasta otros con condiciones extremas que solo ellos pueden soportar. Debido a su gran diversidad metabólica, participan en todos los ciclos de la materia, desarrollan procesos exclusivos como la fotosíntesis anoxigénica, o son capaces de utilizar sustancias inorgánicas como fuente de energía. Su pequeño tamaño les aporta importantes ventajas fisiológicas como en el intercambio de nutrientes con el medio, la rapidez de su metabolismo o su extrema tasa de reproducción. Su modo de vida condiciona la relación que establecen con el medio, alteran sus condiciones fisicoquímicas por agotamiento de los nutrientes o por acumulación de los desechos que producen. Los microorganismos autótrofos sintetizan grandes cantidades de materia orgánica, y junto a los heterótrofos, que consumen compuestos orgánicos, son una fuente de alimento para los organismos superiores. Los microorganismos tienen un importante papel en la descomposición de las rocas para la formación del suelo vegetal, así como en la formación y descomposición de recursos geológicos como el petróleo o el carbón. Participan como organismos descomponedores en todas las cadenas tróficas de los distintos ecosistemas, y mineralizan los compuestos orgánicos transformándolos en inorgánicos. En función de la relación que establecen en todas las cadenas tróficas de los distintos ecosistemas, y mineralizan los compuestos orgánicos transformándolos en inorgánicos.

Existen microorganismos que ocupan un hábitat exclusivo para evitar la competencia, pero la mayoría la evita asociándose con otros seres vivos con los que, la mayoría de las veces, establecen relaciones inofensivas. Muchas bacterias y hongos son beneficiosos e incluso imprescindibles para todos los organismos. Solo algunas bacterias, hongos y protozoos, al igual que todas las formas acelulares como virus, priones y virones son nocivos a su condición de parásitos.

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BENEFICIOS DE LOS MICROORGANISMOS. Sin restar importancia a las enfermedades infecciosas, algunos de los muchos efectos beneficiosos que derivan de la simbiosis con los microorganismos son: • •

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Los protozoos flagelados ayudan a degradar la celulosa y la lignina de la madera en el intestino de insectos xilófagos, que son incapaces de hacerlo. Las bacterias y protozoos ciliados de los rumiantes hacen la digestión para su hospedador por fermentación, dado que este es incapaz de sintetizar celulosas con sus glándulas salivares o con la mucosa de su panza. La asociación de algas y hongos constituyen los líquenes, que son formas pioneras de vida en la colonización de un territorio. Su presencia en los ciclos de la materia es imprescindible, dado que algunas transformaciones solo tienen lugar gracias a los microorganismos. Los microorganismos que sirven como alimento tienen los PSC (Proteínas de una Sola Célula). Son las cianobacteras (S-pirulina), con aminoácidos esenciales, vitaminas y ácidos grasos insaturados; levaduras, que se usan en la industria cervecera, alimento en granjas y suplemento dietético (vitamina B); microalgas, que se usan en la alimentación humana y animal (proteínas 80% digerible); hongos, como el Quorn, en la alimentación humana, tiene la misma cantidad proteica que la carne. No hay ningún sustrato que las bacterias no puedan degradar, por lo que pueden contribuir a restablecer el equilibrio de muchos ecosistemas dañados por la contaminación y desastres ecológicos. Y, finalmente, las técnicas de ingeniería genética han conseguido bacterias que fabrican insulina humana, hormona del crecimiento, el interferón, vacunas, proteínas plasmáticas y factor VII de coagulación.

INFECCIONES POR MICROORGANISMOS. TRANSMISIÓN DE ENFERMEDADES INFECCIOSAS. En toda enfermedad infecciosa el germen patógeno debe pasar de un hospedador, persona que padece la enfermedad, a otro sano que se puede convertir en nuevo hospedador. Este fenómeno se conoce con el nombre de transmisión de la enfermedad, y puede ocurrir de dos modos. •

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Directamente: así sucede en las enfermedades transmitidas por un contacto corporal o por vía respiratoria a través de gotículas de saliva expulsadas al ambiente en la tos o estornudos. Indirectamente: el germen pasa de una persona a otra a través de un ser vivo o un ente inanimado. Los seres vivos transmisores se denominan vectores. Si el 262

agente transmisor es inanimado sea el agua o alimentos, se dice que éstos son vehículos. Enfermedades transmitidas por el aire.

Los microorganismos que se hallan en el aire proceden del suelo, del agua, y de los otros seres vivos. Sobreviven difícilmente en este medio, siendo más resistentes a la desecación las bacterias Gram+ y las formadoras de esporas. Tienen importancia los patógenos que proceden de otras personas transportadoras que los expele el aire mediante el estornudo y la tos, envueltas en gotitas de agua. Estos gérmenes patógenos son recogidos del aire principalmente en la inspiración, por la cual la mayoría de ellos ocasionan infecciones de las vías respiratorias altas o de las bajas. Atendiendo al microorganismo causante, las infecciones pueden ser bacterianas o víricas.

Enfermedades transmitidas por contacto directo.

Hay muchas enfermedades que se transmiten mediante el contacto directo con personas infectadas, como la lepra. Merecen también mención especial las enfermedades transmitidas por contacto sexual.

Enfermedades infecciosas transmitidas por alimentos.

Dos tipos de enfermedades pueden ser transmitidas por alimentos en mal estado: • Las intoxicaciones alimentarias, causadas por toxinas producidas por microorganismos que crecen en los alimentos. • Las infecciones alimentarias, causadas por el crecimiento de los microorganismos en el cuerpo humano, después de comer alimentos portadores de los mismos.

Enfermedades transmitidas por vectores.

En este tipo de enfermedades, el agente patógeno vive en animales y pasa a la especie humana a través de otros animales vectores. Salvo la rabia, transmitida por mamíferos, la mayoría de ellas son transmitidas por artrópodos. Los gérmenes patógenos viven en animales salvajes, que constituyen el reservorio de éstos, ya que no están controlados por cuidados veterinarios, como sucede con los animales domésticos. Hay casos en que de los animales salvajes pasan a los domésticos y de ahí a la especie humana. En países tropicales, zonas subdesarrolladas o con vasto territorio sin colonizar el número de enfermedades es mayor que las habidas en nuestro país.

Enfermedades transmitidas por el agua.

Los patógenos transmitidos por el agua influyen a bacterias, virus y protozoos. Crecen en el tracto gastrointestinal y abandonan los organismos por las heces, siendo nuevo foco de transmisión. Para evitar la infección, que se produce a partir del abastecimiento de aguas, es necesario tratar adecuadamente las mismas.

263

Infecciones bacterianas.

Las infecciones bacterianas se deben generalmente a la producción de toxinas; existen vacunas para muchas de ellas. La mayoría de las bacterias patógenas son sensibles al tratamiento antibiótico. Infecciones producidas por hongos.

Son infecciones superficiales producidas por hongos que se instalan sobre la piel, el pelo, las uñas o la mucosa, y se alimentan de las células muertas que se desprenden. Todas tienen un tratamiento largo basado en antimicóticos. La tiña es una enfermedad cutánea con manchas elevadas y lesiones escamosas y ampollas. A veces, invade el pelo, lo rompe y produce calvas. La tiña más conocida es la que afecta al cuero cabelludo, y está causada por Microsporium, pero otras tiñas afectan a la piel en general, a los pies o a las ingles.

Infecciones producidas por protozoos.

Aunque no muchos son parásitos del hombre y otros animales. La mayoría de las enfermedades infecciosas humanas causadas por protozoos se tratan con quimioterapia.

Infecciones víricas.

Casi todos los grupos de virus animales tienen representantes patógenos del humano. Los virus son agentes patógenos cambiantes debido a la elevada tasa de mutación, que hace aparecer nuevos virus con distinta virulencia. Las vías de contagio más frecuentes son el contacto directo – por inhalación de gotas en el aire, por la saliva o por relaciones sexuales – y en el contacto indirecto, a través de los alimentos y el agua. La mayoría de ellos se instala en las mucosas; aunque el hígado y el sistema inmunitario son el objetivo de muchos virus. Las enfermedades víricas se tratan con quimioterapia antiviral, vacunas o interferón; los antibióticos son inoperantes con ellas.

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Bacterias. Agua.

Aire.

Contacto directo.

Vectores.

Alimentos

Protozoos.

Virus.

Hongos

Gastroenteritis: Es una enfermedad causado por la bacteria Escherichia coli que produce trastornos digestivos. Se combate con antibióticos. Gripe: El virus se transmite de una persona a otra a través del aire. Se instala en las membranas respiratorias y raramente accede al pulmón, pero facilita su colonización posterior por bacterias. Produce fiebre, dolores de garganta, musculares y articulares. El catarro es también una viriasis, pero causada por otro virus. Sida: Enfermedad sexual causada por el virus VIH (Virus de la Inmunodeficiencia Humana) que provoca depresión del sistema inmunitario. Se previene mediante el condón y se combate con quimioterapia. Paludismo/ Malaria: Causado por un protozoo del género Plasmodium (esporozoos). Enfermedad endémica de países tropicales, que está causada por esporozoos transmitidos por la picadura de la hembra del mosquito Anopheles, la cual alberga el parásito en sus glándulas salivales. La infección afecta a células hepáticas y a glóbulos rojos. Causa fiebres recurrentes, escalofríos, dolores de cabeza, musculares y anemia.

La tiña es una enfermedad cutánea con manchas elevadas y lesiones escamosas y ampollas. A veces, invade el pelo, lo rompe y produce calvas. La tiña más conocida es la que afecta al cuero cabelludo, y está causada por Microsporium, pero otras tiñas afectan a la piel en general, a los pies o a las ingles.

Salmonelosis: Está causada por varias especies de la bacteria Salmonella. Los síntomas son: dolor repentino de cabeza, escalofríos, vómitos, diarrea y fiebre. Normalmente la contaminación de los alimentos se produce por personas portadoras o animales de sangre caliente, como por ejemplo las gallinas. De ahí que frecuentemente vayan asociadas las salmonelosis a la ingestión de productos elaborados con huevos crudos, como mayonesas, cremas pasteleras, merengues, etc. Se evitan cocinando el alimento y guardándolo inmediatamente en refrigeración hasta su consumo.

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MICROORGANISMOS Y SALUD. Además del suelo, el aire o el agua; de medios ácidos, del hielo o de las aguas termales, el cuerpo de los seres vivos es también un medio habitual para los microorganismos. La piel o las mucosas de las vías digestivas, respiratorias o genitourinarias albergan normalmente microorganismos con los que el hospedador establece un contacto inocuo o incluso beneficioso, y que constituyen su . Esta vive sobre el cuerpo del hospedador sin causar ningún daño, protegiéndole en muchas ocasiones del asentamiento de otros gérmenes que sí son perjudiciales porque alteran el funcionamiento normal del organismo. Estos son los , capaces de producir una infección, que puede llegar a ser una enfermedad ( ). Estos microorganismos llamados , que normalmente son inocuos, pero pueden convertirse en patógenos ocasionalmente cuando hay cambios en las condiciones de su hábitat (Hongos y herpes). LA INFECCIÓN. Se llama a cualquier situación en la que el microorganismo patógeno se instala y crece en el huésped, independientemente de que sea o no dañado. Esta enfermedad infecciosa implica, necesariamente, que se cause perjuicio al huésped. Por ejemplo, un individuo puede ser portador asintomático de Salmonella o padecer una salmonelosis. Los microorganismos deben acceder a los tejidos del huésped, y allí proliferar antes de producir algún tipo de daño. Esto hecho requiere, a su vez, atravesar la piel o las mucosas; estructuras que actúan, normalmente, como barreras microbianas. Para superar estas barrearas, la entrada de microorganismos implica, muchas veces, la existencia de heridas. La infección es un proceso que resulta de la conjunción de dos factores: •

•

La del parásito, que es su capacidad para producir en el huésped los cambios fisiológicos o anatómicos que constituyen la enfermedad. Depende de la patogenidad, de la capacidad de invasión o de ambos. o : Multiplicación dentro del huésped. o : capacidad de formación de una toxina que produce un envenenamiento del cuerpo. Ejemplos: Bolutismo y tétanos. o Ambos: Gastroenteritis bacteriana. Resistencia o susceptibilidad del huésped a la acción del parásito. Esta depende del estado de sus defensas y nutricional, de factores ambientales, de su situación anímica, etc.

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Estos dos factores determinan la virulencia del microorganismo. Ni la virulencia ni la resistencia del huésped son parámetros constantes. En todos los casos existe cierta especificidad en la relación del parasitismo, dado que un determinado microorganismos solo puede desarrollarse en un número restringido de huéspedes, siendo inocuo para el resto. Las fases de una infección son las siguientes: •

Adherencia. Se produce en las mucosas respiratorias, digestivas o genitourinarias. El agente infeccioso se adhiere selectivamente a un grupo de cédulas, y logra, normalmente, penetrar en el hospedador. Además, una bacteria que coloniza el epitelio digestivo humano se adhiere a este mucho más frecuentemente que al intestino de otro animal.

•

Penetración. Tras la adherencia, el agente patógeno puede dañar allí mismo liberando toxinas, pero lo usual es que penetre en el tejido y se disemine por otras partes del cuerpo, es las que prolifera. En todas ellas se debe competir con la flora microbiana normal.

•

Crecimiento. La adherencia supone un número de microorganismos insuficiente para producir perjuicio. La enfermedad infecciosa implica crecimiento en los tejidos del huésped, que requiere, a su vez, de nutrientes y de un ambiente adecuado y específico. Es difícil que se den todas las condiciones; sobre todo, en lo que se refiere a los nutrientes, que son rápidamente captados por las células. Este hecho origina a menudo carencias y limita el crecimiento.

•

Incubación. En el tiempo que transcurre entre la colonización y la manifestación de la enfermedad. Es fijo para cada especie bacteriana durante este tiempo el enfermo puede ser o no contagioso. La práctica de la cuarentena a individuos posiblemente portadores de la enfermedad se realiza para impedir el probable contagio en la fase de incubación, dando tiempo a que se pueda manifestar los síntomas de la enfermedad, momento en el que dejan de ser potencialmente focos de infección.

Conceptos: • Cepa virulenta: cepa con capacidad de causar enfermedad. • Cepa no virulenta/inocua: cepa sin capacidad de causar enfermedad. • Toxigenicidad: capacidad de producir toxinas. TOXINAS. La virulencia de algunos microorganismos viene determinada por la producción de una serie de sustancias como proteasas, nucleasas o lipasa, que dañan y desorganizan los 267

tejidos del huésped. La colagenasa destruye el tejido conjuntivo, y la coagulasa dota a los cocos de una envuelta de fibrina con la que evitan a los fagocitos. Raramente, los síntomas de una infección se deben al número de microorganismos. La mayoría de las bacterias producen toxinas, que son de dos tipos: •

•

• • •

Exotoxinas: son proteínas solubles que son liberadas al medio de crecimiento por bacterias Gram positiva. Estas toxinas son sensibles al calor, muy tóxivas y no producen fiebre. Tienen efectos específicos sobre los tejidos, e inducen la formación de anticuerpos en el organismo huésped. Endotoxinas: son los componentes lipídicos de la membrana externa de las bacterias Gram negativa. Siempre producen fiebre, y sus efectos son generales en el organismo. Son toxinas que no son destruidas por el calor, tampoco inducen la formación de anticuerpos, y su toxicidad es baja. Enterotoxinas: estimulan anormalmente a las células de la mucosa gastrointestinal. Ejemplos: cólera y e. coli. Citotoxinas: matan enzimáticamente a las células del huésped. Ejemplo: toxina diftérica. Neurotoxinas: bloquean la sinapsis nerviosa. Ejemplo: botulismo y tétanos.

LOS AGENTES PATÓGENOS. Los agentes patógenos capaces de producir enfermedades infecciosas en los seres vivos son las bacterias, los hongos, los protozoos, los virus, los viroides y los priones. Las vías de transmisión son el contacto directo, a través del aire, por medio de contactos sexuales, por el agua, los alimentos o mediante vectores animales. La relación entre enfermedad infecciosa y microorganismos la estableció Robert Koch en 1876, cuando demostró que Bacillus anthracis era el causante del ántrax o carbunco. Las pautas seguidas por Koch para identificar el agente infeccioso siguen vigentes en la actualidad, y se conocen como “los postulados de Koch”. Son los siguientes: • • • •

El microorganismo debe encontrarse en los individuos que presenten la enfermedad, y no en los sanos. El microorganismo debe aislarse del huésped, y puede desarrollar en cultivo puro fuera de su cuerpo. La enfermedad debe reproducirse cuando se inocula el cultivo en un huésped susceptible sano. El microorganismo debe ser aislado de nuevo a partir el huésped infectado experimentalmente, debe ser cultivado y debe ser idéntico al original.

Modo de transmisión de los patógenos: 268

• • •

Vía fecal-vía bucal: ingesta de alimentos infectados con heces. Ejemplo: enfermedades diarreicas. Vía respiratoria: por el trato respiratorio (nariz y boca). Ejemplo: tuberculosis, difteria. Contacto directo: entre personas (enfermedades de transmisión sexual), con animales infectados o por mordedura o picadura (peste bubónica), por contacto directo con heridas superficiales o penetrantes (tétanos).

TERMINOLOGÍA DE EPIDEMIOLOGÍA. La epidemiología estudia la incidencia de las enfermedades infecciosas, esto es, el número de enfermos de cada enfermedad infecciosa en una población. Como toda disciplina científica, posee una terminología propia: •

• • • • •

Epidemia: manifestación de un número de casos de alguna enfermedad que excede claramente a la incidencia prevista en un período de tiempo determinado, en una colectiva o región. Pandemia: epidemia que alcanza grandes extensiones geográficas en forma casi simultánea, o con desplazamiento rápido o lento de un continente a otro. Zoonosis: infección o enfermedad infecciosa transmisible, en condiciones naturales, de los animales vertebrados a los humanos. Ejemplo: rabia. Prevalencia: número de casos en un momento determinado. Incidencia: número de casos en un tiempo determinado. Endemia: es la presencia continua de una enfermedad en un área geográfica determinada.

FLUJO DE MATERIA EN EL ECOSISTEMA: CICLOS BIOGEOQUÍMICOS. La energía fluye unidireccionalmente en los ecosistemas debidamente a que es captada inicialmente por los fotosintetizadores y se disipa, en último término, en forma de calor; sin embargo, los elementos químicos que se comportan como elementos biogénicos, a partir de los cuales se nutren los diferentes componentes del ecosistema, constituyen un sistema cerrado en el que fluyen la manera cíclica. Pues la cantidad de materia existente en el planeta es siempre la misma. Dichos elementos se encuentran disponibles en la biosfera, en mayor o menor abundancia, y en cada momento pueden formar parte de la materia viva o de la materia inerte, según sea la naturaleza de la transformación química a la que se incorporen; de ahí que dichas transformaciones se conozcan con el nombre de ciclos biogeoquímicos, en los que cada elemento experimenta cambios en su estado de oxidación –unas veces se oxida y otras se reduce- conforme circula por las diferentes

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etapas del ciclo. A continuación se exponen dos ciclos de los más característicos: el del carbono y el del nitrógeno. CICLO DEL CARBONO. El carbono se fija por medio de los organismos fotosintéticos en forma de CO2 (asimilación reductora del carbono) y se incorpora como carbono orgánico en los principios inmediatos, que servirán posteriormente de alimento a los demás componentes de la cadena trófica. El CO2 se libera de nuevo al ecosistema mediante los procesos de respiración que tienen lugar en todos los niveles tróficos, y también durante la descomposición bacteriana de los excrementos y los cadáveres de los seres vivos. En épocas pasadas tuvo lugar la reducción anaerobia de grandes cantidades de carbono orgánico, pertenecientes a organismos ancestrales cuyos cadáveres se acumularon en zonas sedimentarias y originaron los depósitos carbonados conocidos actualmente como combustibles fósiles. La combustión de estas reservas carbonadas, junto con los incendios forestales, la tala de bosques y selvas y las emisiones gaseosas de los volcanes, son las principales causas de la alteración del ciclo, ya que cada vez aumenta más la concentración de CO2 en la atmósfera. El CO2 atmosférico puede inmovilizarse mediante su transformación en CaCO3, en las rocas calizas procedentes de los caparazones calcáreos de los organismos acuáticos, y también por variaciones de equilibrio fisicoquímico entre los iones Ca2+ y CO2 disueltos en el agua. El CaCO es insoluble y precipita. Por otra parte, el CO2 puede también retornar de nuevo a la atmósfera mediante la descarbonatación de las rocas calizas.

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CICLO DEL NITRÓGENO. El nitrógeno molecular es muy abundante en la atmósfera, pero no puede ser asimilado directamente por los seres vivos, excepto por determinadas bacterias, como Azotobacter y Rhizobium (vive en simbiosis). Las plantas sólo pueden incorporar el nitrógeno que se encuentra en forma de nitratos en el suelo (asimilación reductora del nitrógeno), mientras que los organismos heterótrofos asimilan el nitrógeno orgánico, componente de las proteínas y demás sustancias nitrogenadas, previamente elaboradas por los autótrofos. Todos estos organismos devuelven el nitrógeno al suelo en sus excrementos o, tras su muerte, mediante la putrefacción bacteriana de sus cadáveres, que origina amoníaco. Otras bacterias, las nitrificantes, oxidan el NH3 y lo transforman en nitritos que, posteriormente, continúan su oxidación hasta convertirse en nitratos. Existe un tercer tipo de bacterias, llamadas desnitrificantes, que convierten los nitratos y nitritos en nitrógeno gaseoso, y provocan así un empobrecimiento del suelo donde se desarrollan. MICROORGANISMOS Y BIOTECNOLOGÍA. Un microorganismo útil es aquel que puede crecer rápidamente, ser cultivado a gran escala y producir una sustancia aprovechable en cantidad apreciable y en el menor tiempo posible LOS MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA. Las fermentaciones a escala industrial se lleva a cabo en un fermentador y su producto final es un compuesto orgánico. Son de dos tipos: • •

Fermentación anoxidativa, que es aquella que no necesita aireación, es decir, la auténtica fermentación. Fermentación oxidativa, cuando hay que inyectar aireación, es decir, es una oxidación incompleta.

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El vinagre se forma por fermentación ácido acética por acción de las bacterias del ácido acético sobre el vino y la cerveza. Estas bacterias transforman, mediante oxidación incompleta, el alcohol y ácido acético. El vino se forma mediante fermentación alcohólica que llevan a cabo algunas levaduras sobre los azúcares de las uvas. El mosto es blanco y produce vino blanco. Los vinos tintos se elaboran fermentando también los pellejos de las uvas negras. Durante el primer año, los vinos tintos también sufren una segunda fermentación espontánea a cargo de las bacterias del ácido láctico, con lo que se reduce la acidez. En el proceso de elaboración del cava se produce una segunda fermentación causada también por levaduras, tras la adición de azúcares. El CO2 que se genera en ella carbonata el vino y es el origen de las burbujas. La cerveza se obtiene a partir de cebada, arroz o maíz. Estos cereales contienen almidón un azúcar no fermentable, por lo que es hidrolizado para obtener maltosa y glucosa. Los granos son malteados, esto es, se humedecen y se dejan germinar, con lo que se producen amilasas que convierten el almidón en glucosa. Del arroz también se obtiene el sake, un licor oriental. La masa del pan es una mezcla de agua, harina de trigo, centeno, cebada, arroz o maíz, sal y levaduras. La harina tiene poco azúcar fermentable, pero sí contiene enzimas capaces de degradar el almidón. El CO2 queda atrapado en la masa y es lo que produce la miga; el alcohol etílico se volatiliza durante la cocción. En la fabricación de productos lácteos, la lactosa sufre fermentación láctica y la convierten en ácido láctico. Esto hace descender el pH, lo que coagula las proteínas, que se separan del suero y constituyen la cuajada. El queso se fabrica a partir de la cuajada, que fermenta por acción de bacterias y hongos; proceso que consiste en el hidrolizado de las proteínas hasta dar aminoácidos. Estos son finalmente convertidos en aminas, ácidos grasos y amoníaco. En la elaboración de la mantequilla, los Streptococcus de la leche la agrian produciendo la nata. La grasa se separa del resto de los componentes por batido. El yogur se produce por fermentación láctica. El kéfir, una bebida agria y moderadamente alcohólica parecida al yogur, se fabrica mediante procesos simultáneos de fermentación láctica y alcohólica. LOS MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA FARMACÉUTICA. Los antibióticos. Son sustancias producidas pro microorganismos y que difunden en el medio donde viven impidiendo el crecimiento de otros organismos o bien causando su muerte. 272

Vacunas: obtenidas con preparaciones de agentes patógenos muertos o atenuados, para producir inmunidad frente al germen activo. Dado que el componente antigénico del microorganismo infeccioso es componente de su cubierta, se pueden obtener vacunas por ingeniería genética. Consiste ello en clonar genes que codifican la proteína en cuestión, para introducirlos luego en bacterias no patógenas que, al incorporar ese gen a su cromosoma, fabrican esos componentes que desarrollarán la respuesta inmune, sin problemas de posibles infecciones, como sucede con vacunas tradicionales en algunas ocasiones Proteínas enzimáticas u hormonales: obtenidas mediante ingeniería genética, clonando los genes de proteínas humanas deseadas en microorganismos apropiados para que estos las produzcan (insulina humana). Por otra parte muchos microorganismos tienen la propiedad de producir exoenzimas, es decir, enzimas que segregan al medio donde viven; si estas enzimas tienen utilidad se producen en la industria farmacéutica. Algunas además de utilizarse en farmacia se usan en otras industrias, como las proteasas y lipasas.´ Hormonas esteroídicas: obtenidas por el procedimiento denominado bioconversión o biotransformación, consisten hacer crecer el microorganismo en el fermentador, añadiendo posteriormente el producto químico que se va a transformar convirtiéndolo en el producto final deseado (cortisona e hidrocortisona, contra inflamaciones, alergias y artritis). Otro tanto sucede con los esteroides estrogénicos y androgénicos, que juegan un papel importante en la regulación de la fertilidad humana. •

•

La pasteurización, en la que se utilizan temperaturas inferiores al punto de ebullición, destruyendo los microorganismos patógenos, pero sobreviviendo otros que posteriormente, pueden crecer y destruir el alimento, por lo cual el alimento pasteurizado debe ser guardado bajo refrigeración. Esterilización, en la que se utilizan temperaturas muy altas y un envasado hermético posterior, con lo cual se eliminan todo tipo de organismos y el alimento se puede guardar durante largo tiempo, hasta la apertura del envase.

MICROORGANISMOS Y MEDIO AMBIENTE. La biotecnología ambiental es el conjunto de procesos mediados por microorganismos cuya finalidad es la conservación y preservación del medio ambiente. • •

La biorremediación, que es la utilización de microorganismos para eliminar sustancias contaminantes del medio ambiente. La biodegradación, o degradación de materiales como papel, pintura, fibras textiles, hormigón o hidrocarburos mediante microorganismos.

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BIODEGRADACIÓN DEL PETRÓLEO. El hecho de que algunas bacterias, cainobacterias, mohos, levaduras y algas verdes sean capaces de descomponer el petróleo o sus derivados tiene una gran importancia en el ámbito ambiental. Se usan estos microorganismos en los vertidos de los petroleros y en las mareas negras, y su acción puede potenciarse añadiendo a las masas de petróleo nutrientes inorgánicos. El factor limitante es que las bacterias utilizadas no son capaces de degradar todos los hidrocarburos presentes en el petróleo. Por eso, algunos de estos microorganismos han sido modificados genéticamente con plásmidos, para que así puedan degradar activamente todos los hidrocarburos. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES. Las aguas residuales contienen materia orgánica e inorgánica procedentes tanto de la industria como del ámbito doméstico. En una planta depuradora se efectúa primero la separación del agua de materiales inorgánicos como lodos y arcillas. Posteriormente, en el tratamiento actúan microorganismos que fermentan la materia orgánica de dos formas: •

•

En tanques cerrados, donde las macromoléculas se someten a digestión enzimática por fermentación, obteniéndose acetato, CO2 e hidrógeno. Estas sustancias son, a su vez, sustratos para bacterias que finalmente producen metano. En tanques abiertos, donde los microorganismos oxidan la materia orgánica en procesos aerobios en los que se obtiene CO2, amoniaco, e iones nitrato, sulfato y fosfato.

El agua, una vez liberada de la materia orgánica, se somete primero a tratamientos que eliminan los tóxicos inorgánicos y posteriormente, a procesos de potabilización. Si se devuelven a los ríos, es importante que se hayan eliminado las sustancias inorgánicas, ya que estas son una fuente importante de alimento para las algas, que proliferan exageradamente causando un nuevo problema, la eutrofización del agua. Una manera de medir la cantidad de materia orgánica presente en el agua es mediante el índice DBO. Cuanta más materia orgánica, se necesita más microrganismo para degradarla; esto supone un mayor consumo de oxígeno. El DBO va disminuyendo a medida que la materia orgánica desaparece, degradada por los microorganismos. Una planta depuradora puede reducir el DBO inicial casi en un 90%.

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MICROORGANISMOS MINERÍA. Thiobacillus ferrooxidans es una bacteria capaz de provocar la solubilización del cobre o el hierro, cuando estos metales están en menas de baja concentración. Así se pueden obtener estos metales, tras la precipitación de los mismos. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA EN EL MEDIO AMBIENTE. La biorremediación. Es el conjunto de procesos de procesos que eliminan la contaminación del suelo, del agua o del aire, aprovechando la actividad descomponedora de los microorganismos. Estos seres vivos han diversificado de tal modo su metabolismo que cualquier sustancia orgánica o inorgánica puede ser utilizada como nutriente por algunos de ellos. Como ejemplos podemos citar: la biodegradación de sustancias tóxicas, como los plaguicidas los metales pesados, los hidrocarburos de las mareas negras… que se vierten al medio y pueden ser eliminados por microorganismos que los utilizan como fuente de carbono; la depuración biológica de aguas residuales, que se realiza a partir de bacterias y algas; o el compostaje, que consiste en la fermentación de microorganismos de residuos sólidos orgánicos y de los fangos de las depuradoras para obtener un material rico en nitrógeno usado como abono en la agricultura. Producción de productos biodegradables. Determinados microorganismos fabrican, como sustancia de reserva, polímeros biodegradables. Esta propiedad permite la producción industrial de bioplásticos y espumas de poliuretano, que constituyen una alternativa a la contaminación producida por la fabricación y la acumulación de residuos plásticos. Recuperación de especies en peligro de extinción. Las técnicas de clonación han abierto un nuevo camino mediante el que hacer frente al problema de la extinción de especies y la pérdida de biodiversidad, y se han multiplicado los proyectos destinados a clonar especies amenazadas, e incluso, desaparecidas.

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DEFENSA DEL MICROORGANISMO FRENTE A LA INFECCIÓN. MECANISMOS DE DEFENSA ORGÁNICA.

Mecanismos de defensa

Inespecíficos

Barreras primarias

Específicos

Respuesta inmunitaria inespecífca

Piel

Respuesta inmunitaria específica o secundaria Celular

Fagocitosis Mucosas

Humoral

BARRERAS INESPECÍFICAS. Las barreras específicas actúan tanto desde el exterior como desde el interior del cuerpo, y del mismo modo ante cualquier germen, independientemente de que se trate del primero o de sucesivos encuentros con él. BARRERAS PRIMARIAS. Son las superficies a través de las cuales el cuerpo reacciona con el medio externo: •

La piel. Es una barrera natural sumamente eficaz, que reviste y protege al cuerpo humano. Se trata de envoltura continua y sensible. La epidermis, su capa más extensa, está formada por un epitelio poliestratificado y queratinizado, sometido a un proceso constante de renovación. Mientras el estrato germinativo, el más profundo, genera constantemente nuevas células por mitosis, el estrato córneo se descama perdiendo células muertas en la superficie. Estas células llenas de queratina se mezclan con las secreciones de las glándulas sebáceas y sudoríparas para 276

•

constituir el manto ácido, una especie de “crema protectora” natural llamada así por su pH, ligeramente ácido, que dificulta el asentamiento de bacterias y hongos sobre la piel. Las mucosas. Las cavidades y orificios naturales relacionados con la superficie corporal como la boca, las fosas nasales, el interior de los párpados, el tubo digestivo, la vagina o la uretra presentan una piel especial, la mucosa, mucho más fina y con un epitelio sin estrato córneo, a menudo ciliado. Podría pensarse que las mucosas son vías de acceso más fáciles para los gérmenes, pero no es así; aunque el epitelio carezca de estrato córneo, presenta a menudo superficies ciliadas que orientan sus secreciones hacia el exterior. Estas secreciones, por su naturaleza química o por el pH que generan contribuyen a reforzar la mucosa. También sobre muchas de ellas existen gérmenes que viven en simbiosis y que se oponen a la colonización por especies extrañas.

BARRERAS SECUNDARIAS. Los agentes patógenos, a veces, consiguen atravesar la piel o las mucosas cuando estas se alteran por una lesión, una herida o una quemadura. En estos casos, pueden llegar al medio interno, cuyas condiciones son, en principio, favorables para su proliferación. La sangre, la linfa y la orina son, en general, buenos medios de cultivo para los microrganismos, aunque muy selectivos, debido a la presencia de sustancias perjudiciales para ellos, como los anticuerpos, la lisozima o el complemento. Asimismo, el pH de la sangre y la linfa favorecen el crecimiento, pero no ocurre así, por ejemplo, con el de la orina, que suele ser ácido. Normalmente, si la herida se mantiene con cierta asepsia, los microorganismos no pueden penetrar. Una herida infectada, sin embrago, supone la entrada de microorganismo, lo que provoca que se pongan en marcha las barreras secundarias, que tienen como mecanismos base de actuación la reacción inflamatoria, la fagocitosis y el sistema de complemento. Generalmente, el número de bacterias que penetra a través de una herida es insuficiente para producir una infección, lo cual significa que debe producirse una proliferación de estas en el tejido afectado. Un análisis de sangre, en caso de infección, muestra un aumento del número normal de leucocitos que han proliferado para frenar el proceso. CÉLULAS INESPECÍFICAS. Las células implicadas en la defensa por fagocitosis son algunos tipos de leucocitos llamados, en general, fagocitosis, y son de dos tipos:

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•

• •

Monocitos. Son leucocitos de núcleo grande y una granulación citoplasmática muy fina. Tras permanecer varios días en el torrente circulatorio, pueden migrar a los pulmones, la médula ósea, los ganglios, el bazo o el hígado, y allí se transforman en macrófagos Macrófagos. Son células grandes con una enorme capacidad para fagocitar, y que constituyen el llamado sistema reticuloendotelial. Neutrófilos. Son mucho más abundantes en sangre que en monocitos, pero viven menos, son más pequeños y tienen un núcleo lobulado. Los tejidos infectados liberan sustancias que los atraen, y son capaces para abandonar los vasos sanguíneos y desplazarse con movimiento ameboide hacia zondas donde se ha producido la infección.

Pero las primeras células fagocíticas en entrar en acción son los histiocitos del tejido conjuntivo de la zona invadida. Ocurre que su capacidad para fagocitar es limitada y son sustituidos enseguida por los neutrófilos que llegan desde la sangre. Estos, debido a su corta vida, son sustituidos a su vez por los macrófagos. MECANISMOS DE LA REACCIÓN INFLAMATORIA Y FAGOCITOSIS. La reacción inflamatoria se desencadena cuando las células de los tejidos afectados por un proceso infeccioso liberan sustancias como la histomina o la serotonina, debido a las cuales, la zona se inflama y se enrojece. • • •

La inflamación se debe al aumento de la permeabilidad capilar, que permite al plasma escaparse desde los capilares al espacio intersticial. El enrojecimiento se produce con consecuencia del incremento del flujo sanguíneo que llega a la zona afectada. Otros son el calor local y el dolor. La sangre trae a la zona una gran cantidad de células fagocíticas que hacen su labor, lo que se pone en evidencia la presencia de pus. El pus es una mezcla de suero, bacterias muertas y glóbulos blancos, que mueren tras fagocitar grandes cantidades de bacterias, células dañadas y sustancias extrañas.

La fagocitosis es un proceso en el que los fagocitos, que tienen una membrana fina y deformable, emiten pseudópodos que engloban a los microrganismos, formando vacuolas fagocíticas a las que luego vierten las enzimas de sus lisosomas. Las enzimas digieren los gérmenes y así aprovechan de sus componentes moleculares. Los restos no digeridos son expulsados al exterior. Hay moléculas, como las opsoninas, que actúan fijándose a las paredes bacterianas, señalándolas y facilitando su unión con la célula fagocítica. Tras este proceso, los macrófagos suelen sobrevivir, pero no así los neutrófilos. Los dos tipos de células

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actúan indiscriminadamente ante cualquier tipo de germen, y repiten el proceso de la misma manera siempre que se produce una infección. BARRERAS ESPECÍFICAS: EL SISTEMA INMUNITARIO. Cuando de sobrepasa la barrera de la fagocitosis, se pone en marcha el sistema inmunitario, que es el conjunto de moléculas, células, tejidos y órganos implicados en la respuesta inmune. A diferencia de la que producen las dos barrearas anteriores, la respuesta inmune es una reacción específica ante la entrada en el organismo de cualquier molécula extraña, que conduce a su destrucción. ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA INMUNITARIO. El sistema inmunitario está formado por elementos celulares, los linfocitos, y por los anticuerpos, moléculas solubles que estos secretan; ambos se sirven del aparato circulatorio y del sistema linfático para su difusión y transporte por el organismo. Ante una agresión por un agente infeccioso, los linfocitos abandonan la sangre a través de los poros del endotelio de los capilares linfáticos constituyendo la linfa, y circula por ellos para retornar al torrente circulatorio. Los capilares linfáticos son conductos muy finos y de fondo ciego, que confluyen en los vasos linfáticos. Estos presentan una estructura en forma de rosario muy similar a la de las venas, y tiene ganglios linfáticos intercalados. Todos los vasos linfáticos confluyen en el gran conducto torácico o en la gran vena linfática, que desembocan a su vez en las venas subclavias izquierda y derecha, respectivamente, devolviendo a la sangre el plasme perdido. Aunque el sistema inmunitario estaría dispuesto por todos los órganos y fluidos del cuerpo, sus elementos se concentran en los llamados órganos linfoides. ÓRGANOS LINFOIDES PRIMARIOS. En ellos se produce la maduración de los linfocitos. •

•

La médula ósea se encuentra en el interior de los huesos, rodeada por tejido óseo compacto: en los huesos largos se sitúa solo en las epífisis. En ella, se originan las células madre precursoras de todos los linfocitos que pueden madurar aquí, transformándose en linfocitos B, o bien emigrar al timo, donde darán lugar a linfocitos T. El timo se encuentra bajo el esternón. Las células procedentes de la médula ósea se dividen y proliferan rápidamente en él, y son sometidas a un fuerte proceso de selección que hace desaparecer a la mayoría. Las que sobreviven, se transformarán en linfocitos T. A lo largo del crecimiento, este órgano sufre un proceso de involución y prácticamente se atrofia en el adulto. 279

•

La bolsa de Fabricio es una estructura linfoide asociada a la cloaca de las aves. Se localiza en la cavidad general del cuerpo, entre la columna vertebral y el último tramo del intestino grueso. En ella, maduran células procedentes de la médula ósea y se transforman en linfocitos B. Al igual que el timo, la bolsa de Fabricio degenera a medida que el animal se aproxima a la madurez sexual. Los linfocitos que produce son diferentes a los del timo. Curiosamente, los mamíferos producen linfocitos como los de la bosa de Fabricio, pero se desconoce su origen.

ÓRGANOS LINFOIDES SECUNDARIOS. En los órganos linfoides secundarios se acumulan los linfocitos. •

•

•

El bazo es un órgano filtrador de sangre donde se destruyen células sanguíneas defectuosas. Se encuentra adosado al diafragma debajo del pulmón izquierdo. Presenta zonas ricas en linfocitos B, separadas de otras en las que se acumulan linfocitos T. Los ganglios linfátidos son pequeñas masas encapsuladas de tejido linfoide intercaladas en los vasos y capilares linfáticos. Filtran y depuran la linfa y son especialmente abundantes en las axilas, las ingles o el cuello. Su acumulación evidencia una infección microbiana y el desencadenamiento de la respuesta inmune, ya que son centros en los que las células fagocíticas filtran y atrapan las partículas antigénicas. Las estructuras linfoepiteliales son masas difusas de tejido linfoide asociadas a los epitelios de las mucosas que aparecen en diferentes partes del tubo digestivo. Las amígdalas linguales y palatinas, diversos acúmulos de las pareces faríngeas o el istmo de las fauces, las placas de Peyer del intestino delgado y el apéndice vermiformer son estructuras de este tipo en las que acumulan linfocitos.

LOS LINFOCITOS: CÉLULAS ESPECÍFICAS DEL SISTEMA INMUNITARIO. Son uno de los tipos de células sanguíneas de la serie blanca, se encuentran tanto en la sangre y como en la linfa, tienen entre 7 y 16 micras de diámetro y suponen un 30% de todos los leucocitos. Poseen un gran núcleo rodeado por un citoplasma escaso y sin gránulos. A diferencia de los otros leucocitos, no emiten seudópodos, por lo que no pueden fagocitar. Sí son capaces de abandonar la sangre atravesando las paredes de los capilares y así llegar a los tejidos. Aunque indistinguibles, incluso con el microscopio electrónico, hay dos clases de linfocitos:

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Linfocitos B. Son células que, en los mamíferos adultos, se originan y maduran en la médula ósea; son los responsables de la respuesta humoral mediante la que son capaces de reconocer a los antígenos gracias a receptores situados en su membrana celular, y producir anticuerpos libres que los neutralizan. Linfocitos T. Se generan en la médula ósea pero maduran en el timo. No son capaces de producir anticuerpos, e intervienen en la respuesta inmune celular, en la que, con sus receptores de membrana, detectan antígenos situados en la superficie de otras células. Los receptores de los linfocitos T no son anticuerpos, sino macromoléculas formadas por dos cadenas proteicas unidas a proteínas de su membrana plasmática. Existen varios tipos de linfocitos T: o Los linfocitos T citotóxicos. Destruyen células tumorales o infectadas por un virus, sus receptores son glucoproteínas CD8. o Los linfocitos T colaboradores. Reciben ese nombre porque ayudan a los linfocitos B, activándolos para que produzcan anticuerpos. También influyen sobre los macrófagos de la sangre, aumentando su capacidad para fagocitar; por último producen interleucinas, que son moléculas que activan y hacen proliferar a los linforcitos T citotóxicos. La glucoproteína que presentan en la membrana es la CD4. o Los linfocitos supresores. Inhiben tanto la respuesta celular como la humoral, porque atenúan la actividad de los colaboradores.

LA RESPUESTA INMUNE. Se conoce como respuesta inmune al conjunto de procesos que desencadenan cuando una sustancia extraña, un antígeno, penetra en el organismo y esto no lo reconoce como propio. Tiene lugar mediante la fabricación de anticuerpos o mediante la formación de células pero en ambos casos, el fin es el mismo: neutralizar al agente invasor y volver al organismo invulnerable ante él. La respuesta inmune, a diferencia de las otras barreras defensivas, es totalmente específica, de modo que la resistencia de un determinado antígeno no implica resistencia a otro distinto. Además, la respuesta se produce siempre que existe contacto con el germen invasor, pero tras el primero de ellos, el organismo “recuerda”; por ello, en contactos sucesivo, las respuesta llega a ser tan intensa que la enfermedad no siempre vuelve a manifestarse. LA RESPUESTA INMUNE PRIMARIA. Consiste en la proliferación de los linfocitos, que crea células de memoria. • •

Fase de latencia. Es identificado y tiene lugar la proliferación de linfocitos. Fase logarítmica. La producción de anticuerpos aumenta al máximo.

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Fase de declinación La producción de anticuerpos va disminuyendo. Se elimina del todo la infección.

RESPUESTA INMUNE SECUDARIA. Cuando el antígeno accede por segunda vez al organismo, sin que importe el tiempo transcurrido desde el primer contacto. • •

Fase de latencia: es mucho más corta por las células de memoria. La producción de anticuerpos es más rápida y de mayor intensidad.

LOS ANTÍGENOS. Toda sustancia, ajena al organismo, capaz de desencadenar una respuesta inmune es un antígeno. •

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Heteroantígenos. Son los que pertenecen a organismos de otra especie distinta de la humana. Se trata de moléculas situadas en las cápsidas o en las envueltas víricas, en las paredes bacterianas, en la superficie de las células o de moléculas segregadas por ellas, como las toxinas. Isoantígenos. Proceden de otro individuo de la misma especie, como los antígenos de superficie de los glóbulos rojos que constituyen el sistema ABO. Autoantígenos. Son los menos habituales, y se trata de macromoléculas del propio organismo a las que el sistema inmunitario reconoce como extrañas y considera como antígenos.

Aunque los antígenos son fundamentalmente proteínas, muchos son polisacáridos y lípidos complejos que también tienen capacidad antigénica, esto es, desencadenan la formación de la estructura de estas macromoléculas, mediante la cual se unen los anticuerpos o a los receptores de los linfocitos. Esta región se denomina determinante antigénico o epítopo, y es la región inmunológicamente activa de un antígeno. En los antígenos proteicos, por ejemplo, el determinante está constituido solo por cuatro o cinco aminoácidos de su secuencia. Cuando el determinante es único, solo se puede unir con una molécula de anticuerpo, y se denominan antígenos univalente. Los antígenos polivalentes tienen varios determinantes, y esto supone que puedan unirse a varias moléculas del mismo anticuerpo o a varios anticuerpos distintos. La mayoría de las proteínas tiene carácter antigénico. La estructura espacial de la proteína es muy importante, pues la desnaturalización de la misma impide la unión del anticuerpo sintetizado contra ella. En muchos casos, la proteína desnaturalizada induce la formación de un nuevo anticuerpo específico.

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Hay pocos glúcidos que induzcan la formación de anticuerpos, pero de su combinación con proteínas resulta siempre una molécula altamente antígena, como es el caso de los isoantígenos del sistema ABO. Ocurre lo mismo con los lípidos y con los ácidos nucleicos; la unión con las histonas convierte al ADN en una molécula inmunógena. También lo son complejos estructurales como los ribosomas o los virus. Los haptenos son moléculas pequeñas sin capacidad por sí mismas de estimular la producción de anticuerpos; sin embargo, cuando se unen a proteínas transportadoras, son capaces de provocar una respuesta inmune. LOS ANTICUERPOS. Son moléculas producidas por linfocitos B como respuesta a la presencia de un antígeno, y destinadas a unirse específicamente a él. Los anticuerpos pueden permanecer adheridos a las membranas de los linfocitos, actuando como receptores de superficie o bien liberados hacia la sangre donde forman parte de las proteínas plasmáticas, la linfa o las secreciones corporales. Los antígenos son proteínas de conformación globular que, debido a sus propiedades, reciben el nombre de inmunoglobulinas (lg). Las inmunoglobulinas están formadas por cuatro cadenas de aminoácidos. • •

Dos cadenas H (pesadas) iguales entre sí, y de gran tamaño. Dos cadenas L (ligeras) más cortas que las H y también idénticas entre sí.

Las cuatro cadenas se mantienen unidas por una combinación de uniones covalentes y adoptan en el espacio una estructura tridimensional en forma de Y. El tallo está formado por parte de las cadenas Y, y contiene en su base los carboxilos terminales. Cuando se bifurca, se originan dos ramas integradas por las cadenas H y por las cadenas L adosadas a ellas. Las dos ramas finalizan con los grupos amino terminales de ambas cadenas. La zona de bifurcación o bisagra contiene varios puentes de disulfuro, lo que confiere a la molécula cierta plasticidad. El tallo presenta algunas moléculas glucídicas, cuya función no se conoce con exactitud. Un anticuerpo contar de una región constante integrada por el tallo y un parte de amas ramas, y de dos regiones variables constituidas por los extremos de las mismas. La región variable constituye el sitio de unión del antígeno, denominado parátopo, y permite la unión de, al menos, dos moléculas de un mismo antígeno. Como las inmunoglobulinas forman dímeros o pentámeros, el número de antígenos que pueden fijar puede aumentar hasta 4 ó 10, respectivamente.

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TIPOS DE INMUNOGLOBULINAS. En los mamíferos existen cinco tipos de inmunoglobulinas diferentes denominadas lgG, lgA, lgM, lgD e lgE. Sus diferencias se establecen en función de la estructura de las cadenas H que pueden ser de tipo α, β, µ, ɣ, ε, y le dan el nombre y el número de subunidades que las forman. Las aves, sin embargo, cuentan solo con las tres primeras inmunoglobulinas, mientras que los anfibios y lo reptiles solo tienen lgG y lgM, y los pees únicamente lgM. lgG o gammaglobulinas. Con cadenas H de tipo gamma. Son los más numerosos en la sangre y aparecen en gran número cuando se produce un segundo contacto con el antígeno. Son las únicas capaces de atravesar la placenta y se secretan en la leche materna, por lo que son las primeras y únicas moléculas defensivas en el embrión y en el recién nacido dotándole de inmunidad pasiva. Producen inmunidad frente a bacterias, virus y hongos, además de activar a las células fagocíticas de la sangre y al sistema complemento. lgA. Con cadenas H de tipo alfa. Se forman en estructuras linfoides subepiteliales, y aparecen tanto en sangre como en secreciones vaginales, saliva, lágrimas, mucus intestinales y respiratorios, o en la leche. Protegen de patógenos inhalados e ingeridos. lgM. Con cadenas H tipo mü. Son las primeras inmunoglobulinas que se forman como respuesta a un antígeno. Aparecen en sangre y otros fluidos extracelulares, como en la superficie de los linfocitos B. Son eficaces contra bacterias y virus. Activan la fagocitosis y el sistema del complemento, como las lgG. Son anticuerpos completos que siempre producen aglutinación. lgD. Con cadenas H de tipo delta. Aparecen en la superficie de los linfocitos B. lgE. Con cadenas H del tipo épsilon. Se encuentran en los tejidos, mantenimiento concentraciones muy bajas en el suero. Son los causantes de los fenómenos alérgicos. LA REACCIÓN INMUNE: REACCIÓN ANTÍGENO-ANTICUERPO. La reacción inmune es el proceso que tiene lugar cuando los anticuerpos o las células que intervienen en la respuesta inmune se encuentran con el antígeno. De hecho, se le llama reacción antígeno-anticuerpo, y en ella el determinante antigénico de un antígeno se acopla con la porción variable de un anticuerpo como lo hace una llave con su cerradura. La unión tienen lugar mediante enlaces Van der Waals, interacciones hidrofóbicas o iónicas, pero no se forman enlaces covalentes, por lo que la reacción es siempre reversible. 284

La reacción antígeno-anticuerpo es totalmente específica: un anticuerpo es capaz de reconocer entre miles de determinantes antigénicos a aquel que le es complementario. El resultado final consiste en la formación de complejos antígenoanticuerpo que, posteriormente son fagocitados. Aunque la reacción inmune tiene como objeto primordial eliminar patógenos o sus toxinas, también ocurre frente a antígenos no perjudiciales o, aunque no es habitual, moléculas del propio individuo, con lo que sus efectos no son siempre beneficiosos para el organismo. TIPOS DE REACCIÓN ANTÍGENO-ANTICUERPO. • Precipitación: tiene lugar cuando los antígenos son polivalentes. En este caso, los anticuerpos libres se unen a ellos formando complejos tridimensionales muy grandes que dejan de ser solubles y precipitan. La precipitación es máxima cuando las concentraciones del antígeno son iguales. • Aglutinación: este proceso ocurre cuando los anticuerpos, aglutininas, se encuentran con antígenos situados en la superficie de bacterias o de otras células, aglutinógenos formándose agregados celulares que sedimentan con facilidad. • Neutralización: consiste en eliminar los efectos negativos del antígeno, y es un proceso reversible. Actúan así los anticuerpos que se comportan como antitoxinas, o los que se fijan a la cápsida o a la envoltura de un virus disminuyendo su capacidad infectante. • Opsonización. Las opsoninas son anticuerpos que se fijan en la superficie de los microorganismos, marcándolos para que las células fagocíticas los localicen mejor y los fagociten. EL SISTEMA DEL COMPLEMENTO. El sistema del complemento es un conjunto de unas 20 proteínas plasmáticas que se sintetizan en el hígado y se encuentran, normalmente, en estado de protoenzimas, es decir, inactivas, activándose de modo secuencial ante ciertos factores desencadenantes. La interacción de unos componentes con otros provoca una serie de reacciones en cascada, de modo que el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. El mecanismo logra una enorme amplificación de la respuesta a partir de unas pocas moléculas iniciales. LA RESPUESTA INMUNE HUMORAL. Es la que está mediada por anticuerpos. Los mamíferos cuentan con una enorme variedad de linfocitos B inmaduros, que son distintos en función del anticuerpo de superficie que presenten. 285

La información genética que permite a los linfocitos fabricar anticuerpos se encuentra fragmentada, al menos en el humano, entre cromosomas 2,14 y 22; consiste en unos pocos genes que, tras la recombinación, pueden generar una enorme variedad de combinaciones que explica la enorme variedad de anticuerpos que se pueden formar. Con estos. Los linfocitos no son más que el resultado de un proceso de selección que tiene lugar durante el desarrollo embrionario. TEORÍA DE LA SELECCIÓN CLONAL. La llegada de un determinado antígeno al organismo, estimula la proliferación selectiva de aquellos linfocitos que tienen en su membrana anticuerpos específicos para ese antígeno, esto es, se origina un clon de linfocitos. El antígeno es finalmente el responsable de la formación de un clon de linfocitos encargado de rechazarlo, y esto ocurre gracias a la enorme cantidad de anticuerpos del mismo tipo que el clon es capaz de producir. MECANISMO DE LA RESPUESTA INMUNE HUMORAL. Cuando un antígeno penetra en el organismo, acaba por encontrar al linfocito que muestra en su superficie el anticuerpo con el que se puede acoplar. Esta unión estimula y activa al linfocito, que prolifera rápidamente generando dos estirpes celulares. •

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Células plasmáticas. Aparecen por diferenciación de linfocitos B inmaduros, que aumentan mucho de tamaño, cambian la disposición de la cromatina en el núcleo y desarrollan una gran masa de retículo endoplasmático rugoso, que genera enormes cantidades de anticuerpos. Se sitúan en la corteza de los ganglios linfáticos y no salen de ellos. En cambio, si salen los anticuerpos que producen a la zona infectada. Células de memoria. No todos los linfocitos B se transforman en células plasmáticas, algunas se convierten en células de memoria que permanecen en la sangre y continúan fabricando pequeñas cantidades de anticuerpos durante mucho tiempo. Así, una vez superada la infección, si el organismo vuelve a encontrarse con el mismo patógeno, esta dispone de cierta cantidad de anticuerpos específicos a él. Además las células de memoria entran en un proceso rápido de proliferación, originando otra vez las dos estirpes celulares, que en esta ocasión generan inmunoglobulinas lgG y nuevas células de memoria. Los linfocitos que no encuentran a su antígeno específico no se activan y permanecen disponibles.

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RESPUESTA INMUNE CELULAR. Intervienen los linfocitos T y los macrófacos, pero no se fabrican anticuerpos, es un mecanismo efectivo en la destrucción de las células infectadas por un virus, en células tumorales, en células extrañas o en células que contienen parásitos de crecimiento. MECANISMO DE LA RESPUESTA INMUNE CELULAR. Los macrófagos son conocidos como células presentadoras de antígenos. Cuando un antígeno logra penetrar en el cuerpo, es detectado por los macrófagos, que lo fagocitan por un mecanismo de endocitosis. Después, los lisosomas fabrican enzimas hidrolíticas, que deshacen las proteínas del antígeno, transformándose en pequeños péptidos que son expuestos en la superficie del macrófago gracias a las proteínas del complejo principal de histocompatibilidad (MHC). Los linfocitos T disponen de receptores especializados en reconocer esos fragmentos peptídicos unidos a las proteínas MHC en la superficie de otras células. El MHC lo constituyen un grupo de proteínas codificado por un conjunto de genes que se encuentran entre los más polimórficos de los vertebrados superiores. El sistema inmune, mediante este sistema de señalización, es capaz de detectar células infectadas. Las proteínas del MHC están formadas por dos cadenas distintas y presentan cuatro dominios estructurales. De ellos, los dos más próximos a la membrana celular son comunes a todas, pero los dos más alejados son sumamente variables y delimitan un surco destinado al antígeno. Este surco es pequeño y cerrado y solo admite péptidos de 10 ó 12 aminoácidos en las proteínas de clase I, o bien se trata de un surco abierto lateralmente que puede admitir péptidos más grandes, como las proteínas de clase II. •

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Las proteínas de clase I aparecen en todas las células con núcleo del organismo y están implicadas en la presentación de antígenos endógenos de células infectadas por virus, o de células cancerosas a un tipo de linfocitos T, los llamados linfocitos T citotóxicos, que los reconocen. Las proteínas de clase II aparecen en las células presentadoras de antígenos, que procesan antígenos exógenos y los presentan a otro tipo de linfocitos, los linfocitos T colaboradores.

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INMUNOLOGÍA Y ENFERMEDAD. LA INMUNIDAD. Es la resistencia que oponen el individuo al desarrollo intraorgánico de los agentes patógenos y, como consecuencia, a padecer la enfermedad infecciosa que estos pueden originar. Al proceso que produce la inmunidad se le denomina inmunización. La inmunidad puede ser de dos tipos: •

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Inmunidad innata o natural. La tiene el individuo desde su nacimiento. En ella no hay contacto previo con los gérmenes. Los responsables son las barreras físicas, químicas y microbiológicas, los neutrófilos, los macrófagos, las células NK, el sistema complemento y las citoquinas. Inmunidad adquirida o adaptiva. Se adquiere después del nacimiento tras el contacto con el patógeno. Los responsables de la inmunidad son los linfocitos y sus productos. Según que el individuo sintetice o no los anticuerpos que le confieren esta resistencia, la inmunidad puede ser activa o pasiva A su vez, puede ser natural o artificial, según se desencadene por procesos naturales o mediante técnicas artificiales (vacunación).

LA INMUNIDAD ADAPTIVA ACTIVA. La inmunidad adaptiva activa se adquiere cuando el individuo entra en contacto con un patógeno y se produce una respuesta inmunitaria. Con esta respuesta adquiere memoria inmunológica, que le permitirá, en caso de un segundo contacto con el antígeno, fabricar rápidamente anticuerpos específicos contra él. Se denomina activa porque es el propio individuo el que fabrica los anticuerpos que le proporcionan resistencia. Su duración es variable. Puede ser de dos tipos: natural y artificial. •

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Natural. En este caso, la respuesta inmunitaria se produce en el organismo de forma natural, como consecuencia del padecimiento de la enfermedad infecciosa producida por el patógeno. Artificial. En este caso, la respuesta inmunitaria se provoca en el organismo mediante el suministro de vacunas.

LA INMUNIDAD ADAPTIVA PASIVA. La inmunidad adaptiva pasiva, se adquiere cuando el individuo recibe anticuerpos producidos por otro organismo. Por tanto, el sistema inmunitario del organismo receptor no se activa. Esta inmunización puede ser de dos tipos:

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Natural. Los anticuerpos pasan de forma natural de un organismo a otro. Esto es lo que les ocurre al feto y al lactante, los cuales reciben de la madre, a través de la placenta y de la leche materna, anticuerpos que les proporcionan resistencia hasta que sus sistemas inmunitarios se desarrollan. Artificial. En este caso, se inoculan al organismo preparados de anticuerpos purificados procedentes de otros individuos. Estos preparados se denominan sueros.

INMUNIZACIÓN: SUEROS Y VACUNAS. La inmunización consiste en inducir artificialmente el estado inmune frente a una enfermedad tanto de manera activa como pasiva. INMUNIZACIÓN PASIVA. Consiste en dar protección frente a una enfermedad en curso, inyectando un suero con los anticuerpos específicos contra el patógeno que la produce De esta manera, se proporcionan anticuerpos de forma inmediata, y la inmunización es efectiva a las pocas horas de su administración. Sin embargo, es poco duradera y no genera memoria. Por ello. Se utiliza cuando un individuo ya está enfermo y no es posible esperar a que una vacuna haga efecto, o cuando su sistema inmunitario está debilitado y no sintetiza correctamente anticuerpos. Las inyecciones de anticuerpos contienen solo inmunoglobulinas humanas y proceden de sueros de individuos hiperinmunes que disponen de grandes cantidades de ese anticuerpo concreto. Se utiliza contra enfermedades que se desarrollan con gran rapidez o enfermedades para las que no existe vacuna eficaz. INMUNIZACIÓN ACTIVA. Una vacuna es un conjunto de antígenos que se introducen en el organismo sano, e inducen al sistema inmunitario a producir anticuerpos. Como los antígenos carecen de poder patógeno, pero conservan sus características antigénicas intactas, no sufren los efectos de la enfermedad, pero se crean anticuerpos específicos y células de memoria que, llegado el momento, pueden volver a actuar en posteriores infecciones. Los efectos son siempre más duraderos que los sueros, ya que las células de memoria pueden durar hasta toda la vida del individuo. En ocasiones, para reforzar la memoria inmune es necesario administrar dosis de recuero, que con concentraciones de antígeno muy pequeñas, provocan una respuesta inmune secundaria. 289

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Formas atenuadas del microorganismo patógeno. Pasteur descubrió que un cultivo de bacterias de la peste aviar perdía su virulencia tras semanas de almacenamiento pero que inyectas a un pollo, inducían en el a formación de anticuerpos. De este tipo son las acunas contra el sarampión, las paperas o las rubéola. Crean una inmunidad permanente en el individuo. Microorganismos muertos. Contra enfermedades víricas, como la polio o la rabia. Dado que los patógenos está muertos, no se pueden reproducir en el organismo. Necesitan una dosis de recuerdo. Toxinas bacterianas modificadas genéticamente. Son los llamados toxoides o toxinas. No se pueden utilizar toxinas activas porque la cantidad de antígeno necesaria para provocar la respuesta inmune es letal. Antígenos purificadas. Son moléculas aisladas de otros componentes del germen.

AUTOINMUNIDAD. En condiciones normales el organismo consigue diferenciar entre lo propio y lo extraño gracias a la tolerancia inmune, capacidad que el sistema inmunitario adquiere mediante el proceso de aprendizaje durante las primeras etapas de desarrollo. Este aprendizaje tiene lugar en el tipo y en la médula ósea mediante un mecanismo de selección clonal: •

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Selección de linfocitos T. Durante su maduración en el timo, desarrollan receptores de membrana que les permitirán reaccionar con las moléculas de MHC propias, con las que conectan mediante los llamados autoantígenos. Solo sobreviven los linfocitos T que tienen receptores adecuados para reconocer a antígenos extraños unidos a los autoantígenos del MHC; el resto son eliminados. Selección de linfocitos B. Se seleccionan los linfocitos B que no producen anticuerpos contra los autoantígenos. Se inactivan todos los linfocitos que originan una acción destructiva sobre las células del propio individuo.

Un exceso de tolerancia llevará al organismos a confundir unas moléculas con otras, provocan do un escaso nivel de respuesta, o l lo que es lo mismo, una situación de inmunodeficiencia. Por el contrario, creando un estado de inmunidad. Las causas de los fenómenos de autoinmunidad pueden tener relación con la predisposición genética, la disminución en el número de linfocitos T supresores y con el denominado mimetismo molecular. Entre las enfermedades autoinmunes destacan: •

La esclerosis múltiple. Afecta a la sustancia blanca del sistema nervioso central. Sus síntomas son debidos a la desmielinización de los axones que produce importantes alteraciones neurológicas y parálisis. 290

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La enfermedad transcurre en forma de brotes y con deterioro progresivo. Carece de tratamiento curativo aunque pueden tratar los síntomas del brote y se aplican algunos tratamientos inmunomoduladores para modificar el curso de la enfermedad. Diabetes mellitus. Se produce cuando el sistema inmune produce anticuerpos contra moléculas situadas en las células beta del páncreas, lo que provoca la formación de una cantidad de insulina insuficiente que conlleva a estados de hiperglucemia. Los efectos muestran diversos grados de glucosuria y polidipsia, que constituye muchas veces el primer síntoma para el diagnóstico.

HIPERSENSIBILIDAD. El objetivo principal del sistema inmune es la protección del organismo frente a antígenos extraños. La hipersensibilidad es también una respuesta inmune, pero tan exagerada que, lejos de proteger al organismo, provoca múltiples alteraciones en él. Se da ante sustancias nocivas o también enfermedades parasitarias la provocan. En cualquier caso, no se manifiesta con el primer contacto con el antígeno, sino tras pasar por un periodo de sensibilización. HIPERSENSIBILIDAD INMEDIATA. Es conocida como alergia. Consiste en una respuesta muy rápida que aparece a los 15 o 20 minutos tras el contacto don el antígeno que, esn este proceso, se denomina alérgeno. Pueden ser los pólenes, los hongos, los ácaros del polvo, el pelo, fármacos, venenos de insecto… La reacción ocurre en tres fases: •

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Fase de sensibilización. Cuando el organismo entra en contacto por primera vez en con alérgeno. Los macrófagos lo captan, lo fagocitan y muestran sus fragmentos en superficie gracias a las proteínas MHC. Los linfocitos T colaboradores los reconocen, se anclan a ellos y liberan linfocinas que causan la maduración de los linfocitos B vecinos. Estos se transforman en células plasmáticas y liberan grandes cantidades de inmunoglobulinas de tipo E. Las lgE se unen y recubren la superficie de los mastocitos de los tejidos y los basófilos de la sangre Esta dase transcurre sin síntomas. Fase de activación de los mastocitos. Tiene lugar a partir del segundo contacto, cuando las moléculas del alérgeno se unen a las lgE de las células y de los basófilos. Se produce una liberación de mediadores químicos como las histaminas, la serotonina o las prostaglandinas. Fase de alergia. La liberación de mediadores químicos provoca los síntomas de alergia. Algunos alérgenos inyectados directamente en sangre pueden provocar la muerte por asfixia o por un descanso brusco de la presión sanguínea.

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Como tratamiento, se usan anhistamínicos pero no causan sus efectos. Tambien se somete al paciente a desensibilización, similar a la vacuna. Ante dosis creciente de alérgeno, el sistema inmunitario genera grandes cantidades de lgG que se unen a él, impidiendo el acceso a las lgE. HIPERSENSIBILIDAD CITOTÓXICA Ocurre cuando el anticuerpo se une a un antígeno de las células propias, activando la capacidad citotóxica de las células NK o la lisis mediada por el sistema del complemento. Esta reacción es la que se produce en la enfermedad hemolítica del recién nacido, que la desarrolla el feto cuando tiene un grupo sanguíneo diferente del de la madre. La madre produce anticuerpos contra los glóbulos rojos del feto. HIPERSENSIBILIDAD MEDIADA POR COMPLEJOS ANTÍGENO-ANTICUERPO Se produce cuando los anticuerpos se unen a antígenos circulantes, formándose complejos antígeno-anticuerpo que no son eliminados por los macrófagos. El complemento se activa de un modo excesivo, y en la reacción inflamatoria se liberan enzimas que destruyen los tejidos, causando daños en los órganos afectados. Un ejemplo es la enfermedad del suero; una reacción del sistema inmune a ciertos medicamento o a los anticuerpos del plasma, a los que identifica como antígenos. Los complejos antígeno-anticuerpo formados causan inflamación. HIPERSENSIBILIDAD RETARDADA. Los efectos aparecen varias horas o días después del segundo contacto con el alérgeno, y están provocados por una respuesta inmune de tipo celular. Los linfocitos T se activan y liberan linfocinas que activas a su vez macrófagos y los atraen a la zona afectada, provocando inflamación. Se forman agregados de macrófagos que liberan enzimas hidrolíticas que destruyen los tejidos afectados. Ejemplos de hipersensibilidad retardada son las dermatitis por contacto con determinados metales, cosméticos, látex o prendas de vestir. EXCESO DE TOLERANCIA INMUNE: INMUNODEFICIENCIAS. Hay ocasiones en que el sistema inmune es incapaz de detener una infección. El organismo sufre entonces una inmunodeficiencia, y se vuelve vulnerable a todo tipo de enfermedades microbianas, incluso a las causadas por agentes de baja patogenicidad. Existen inmunodeficiencas congénitas o primarias, y adquiridas o secundarias. 292

INMUNODEFICIENCIAS CONGÉNITAS. Tienen un origen genético y son hereditarias. Se manifiestan como una serie de enfermedades infecciosas graves de tipo repetitivo, que aparecen en el recién nacido a los pocos meses de edad. Se deben a linfocitos B incapaces de producir anticuerpos, a linfocitos T anómalos, a fallos en la síntesis de proteínas del sistema del complemento o a un desarrollo anormal de los órganos linfoides. • •

Inmunodeficiencias debidas a linfocitos B. Inmunodeficiencias debidas a linfocitos T. Son las más inmunodeficiencias más graves, y se manifiestan desde el nacimiento con infecciones causadas por virus, hongos, protozoos o bacterias intracelulares.

Son muy frecuentes los trastornos debidos a alteraciones en ambos tipos de linfocitos; estas se denominan inmunodeficiencias combinadas, y en ellas se ven afectas tanto la inmunidad celular como la humoral, debido a la influencia de los linfocitos T sobre esta última. En ellas se altera la diferenciación de los linfocitos T por interrupción en la división de las células precursoras o por fallos en el proceso de recombinación de los genes que codifican sus receptores antigénicos específicos. En ambos casos, el resultado final es la inexistencia de linfocitos T funcionales. •

Inmunodeficiencias debidas al desarrollo anormal de los órganos linfoides. En ocasiones, el desarrollo anormal de las bolsas faríngeas conduce a la degeneración del tipo, con lo que se anula la formación o maduración de los linfocitos T.

En todos los casos de inmunodeficiencias congénitas, existe una gran variedad de microorganismos que puede acusar infecciones, incluso algunos que no son patógenos, como Escherichia coli. Estos microorganismos pueden invadir diversos órganos, ocasionando enfermedades como la tuberculosis, la meningitis, neumonías, anemias, gripe... que, a veces, pueden llegar a producir la muerte por falta de respuesta inmune. Los tratamientos que se aplican para estas enfermedades pueden ir desde aislamiento del paciente hasta el trasplante de la médula ósea. También se están desarrollando tratamientos experimentales con técnicas de ingeniería genética para introducir en estos pacientes genes de los que carecen, o sustituir aquellos que se encuentran alterados. INMUNODEFICIENCIAS ADQUIRIDAS. Aparecen en cualquier momento de la vida y tienen su origen en diversas causas como la malnutrición o las infecciones víricas.

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El sida (síndrome de inmunodeficiencia adquirida) es una enfermedad infecciosa que reduce progresivamente la respuesta del sistema inmune y provoca la destrucción. Esto lleva al organismo a un estado de indefensión tal, que le impide superar cualquier infección microbiana por leve que sea, además de aumentar la incidencia de algunos tipos de cáncer. CARACTERÍSTICAS Y ESTRUCTURA DEL VIH. El virus de la inmunodeficiencia humana es el causante del sida. Pertenece a la familia de los retrovirus que se caracteriza porque su material genético es ARN y copian su información genética a ADN a través de una enzima, la transcriptasa inversa. El VIH tiene una estructura característica formada por: •

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La envuelta, constituida a su vez por una capa continúa interna, integrada por una sola proteína y una bicapa lipídica externa como la de cualquier membrana biológica, en la que se insertan dos glucoproteínas. La cápsida, de forma troncocónica, hueca y rodeada por la envuelta, constituida por moléculas de la proteína que protege al material genético. Este consiste en dos fragmentos de ARN monocatenario, asociados a dos moléculas de transcriptasa inversa y a otras enzimas.

Existen dos formas del virus del sida: el VIH-1 y el VIH-2. El primero es el más extendido por todo el mundo y el más devastador. El otro ha sido detectado en ciertas zonas de África occidental y es menos virulento. Ambos tipos están sometidos a mutaciones constantes de su ARN, que se traducen en cambios de sus antígenos de superficie, lo que dificulta encontrar una vacuna. Se ha sugerido también que mutaciones del virus que causan inmunodeficiencias en primates africanos podrían haber generado el virus de la inmunodeficiencia. INFECCIÓN POR VIH. La infección se desarrolla en dos fases; una primera fase asintomática en la que el virus llega a la sangre y se reparte por todo el cuerpo, y una segunda fase o fase sida, que es la asintomática en la que se manifiesta los efectos de la infección por virus. CONTAGIO, PREVENCIÓN, DIAGNÓSTICO Y TRATAMIENTO. • La sangre. Desde que se hizo obligatoria la prueba de detección de anticuerpos anti-VIH, los bancos de sangre solo disponen de sangre de personas seronegativas, por lo que el contagio de transfusión no supone un riesgo. Si lo supone compartir o entrar en contacto con objetos conminados como jeringuillas o agujas infectadas, o a través de heridas. 294

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Las relaciones sexuales. Es la más extendida. Se produce cuando el semen o los fluidos vaginales entran en contacto con la sangre, lo que ocurre frecuentemente debido a pequeñas lesiones en las mucosa. Las infecciones de transmisión sexual como la gonorrea o la sífiles aumentan las probabilidades de contagio. La vía materno-filial. El virus es capaz de atravesar la placenta y llegar a la sangre del feto; también puede contagiarse durante el nacimiento por lesiones en el canal del parto. La lactancia también es una vía contagio, por lo carga viral de la leche materna.

El diagnóstico se realiza actualmente con el método ELISA, que consiste en poner en contacto suero del paciente con antígenos del VIH; así se detectan anticuerpos antiVIH, lo que implica la presencia de virus en el organismo. No existe hoy por hoy ningún tratamiento que permita destruir y eliminar el virus, pero los medicamentos ralentizan el curso de la infección, ya que pueden dificultar la transcripción inversa o inhibir las proteasas liberadas por ARN vírio, o impedir que el ADN vírico se integre en el genoma de los linfocitos T. Estos efectos se traducen en una menor carga viral. INMUNIDAD Y CÁNCER. En un individuo adulto, solo los tejidos proliferativos presentan actividad mitótica constante en sus células. En el resto de las estructuras, las células están normalmente en fase G0, salvo cuando, por causas no del todo conocidas, algunas sufren una transformación que las lleva a dividirse de manera anárquica y sin control. Se forma entonces un tumor. Es benigno cuando las células tienen un crecimiento limitado y circunscrito al órgano donde se ha originado. Cuando la proliferación no se detiene y además invade otras estructuras, estamos ante un tumor maligno, esto es un cáncer. Si las células que migran a través de la sangre o la linfa se instalan en otra parte del cuerpo y allí originan otro tumor, se habla de metástasis. Todas las células cancerosas presentan características comunes: • • • • •

Pierden la morfología de las células del tejido del que proceden y también sus funciones. Presentan numerosas alteraciones cromosómicas. Proliferan indefinidamente. Presentan alteraciones del citoesqueleto y de su glucocálix. Tienen un origen clonal.

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EL SISTEMA INMUNITARIO FRENTE AL CÁNCER. El sistema inmunitario inhibe normalmente el desarrollo del cáncer. Sus células presentan en superficie moléculas antígenas distintas a las de las células normales que, al no ser reconocidas como propias, desencadenan mecanismos de defensa inmune. Se desarrolla un respuesta inmune celular gracias a los linfocitos T citotóxicos, que se unen a células con antígenos alterados y las destruyen. Los linfocitos T colaboradores liberan linfocinas, que refuerzan a los linfocitos citotóxicos y activan a los macrófagos y a los linfocitos B. Estos pueden unirse a las células cancerosas, activando también a los macrófagos, pero además, a las células NK y al sistema del complemento. Pero a pesar del sistema inmune, el organismo sufre a veces procesos de cáncer. No se sabe cómo las células cancerosas consiguen eludir su acción. Algunas ideas son: • •

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Las células cancerígenas tienen pocas moléculas MHC que hace que los linfocitos citotóxicos tengan dificultades para reconocerlas. Las células cancerosas tiene la capacidad de esconder sus antígenos de superficie, a fin de que los antígenos específicos fabricados no los detecten, y así no resultar extrañas. La existencia de un gran número de antígenos en las células cancerosas provoca un bloqueo de los linfocitos que les impide seguir reconociendo células extrañas. La respuesta inmune es lenta en relación con la velocidad de crecimiento del tumor.

Actualmente, en el tratamiento contra el cáncer, se están impulsando una serie de técnicas basadas en la acción del sistema inmune, son las técnicas de inmunoterapia tumoral. INMUNOTERAPIA. Técnicas curativas basadas en los propios mecanismos de la defensa inmune. •

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Tratamiento con citosinas. Se extraen linfocitos del paciente con cáncer y se les expone a la acción de interleucinas, con el fin de activarlos contra las células cancerosas y se inyectan de nuevo al paciente. Inmunización pasiva con anticuerpo monoclonales. La inmunización pasiva requiere anticuerpos para ser inoculados a un enfermo. Los anticuerpos monoclonales son formas puras de anticuerpos capaces de reconocer a un único antígeno. Kohler y Milstein fusionaron las células plasmáticas resultantes de la activación con linfocitos B procedentes de un mieloma de ratón. Las células obtenidas, denominadas hidridomas, muestran dos características: 296

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o Se dividen constantemente. o Fabrican grandes cantidades de un solo anticuerpo. Actualmente, se obtienen anticuerpos monoclonales humanos a partir de hidridomas resultantes de la fusión entre células plasmáticas y células de mieloma humano. Dado que las células cancerosas liberan a la sangre marcadores tumorales, se pueden fabricar anticuerpos monoclonales específicos que se unan a ellos y las destruyan; también los anticuerpos pueden transportar hasta el tumor fármacos anticancerosos unidos a ellos que, al unirse específicamente a células malignas, actuarán selectivamente sobre ellas y las matarán. Inmunoterapia adoptiva. Consiste en extraer linfocitos T del paciente para extraerlos a los antígenos tumorales y estimular su respuesta. Posteriormente, se inyectan gran cantidad de estas células tratadas, que van a responder selectivamente a las células del tumor. La terapia génica. Utiliza los mecanismos de infección de algunos virus como vehículo para introducir copias normales de genes dañados en las células cancerosas. Se eliminan de estos virus aquellos genes que les confieren virulencia al tiempo que se insertan en ellos los genes terapéuticos. Esta técnica se ha empleado frente a la deficiencia inmunitaria combinada, una enfermedad de la médula ósea. También mediante ingeniería genética se modifican virus, de modo que solo infecten y se repliquen en células cancerosas o no en células sanas, propagándose así por todo el tumor y solo por él, para provocar la muerte de las células infectadas.

TRASPLANTE DE ÓRGANOS. RECHAZOS. Según la relación que existe entre el donante y el receptor, los trasplantes se denominan: • • • •

Autotransplante, si el órgano o tejido trasplantado procede del mismo individuo. Isotrasplante, si el donante es un individuo genéticamente idéntico al receptor. Esto ocurre únicamente entre gemelos univitelinos. Alotrasplante, cuando el donante es un individuo genéticamente distinto al donante. Xenotrasplante, si el donador y receptor pertenecen a especies distintas.

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EL RECHAZO DE TRASPLANTES. Hay problemas con la disponibilidad de órganos o las dificultades técnicas para obtener algunos tipos, y con la posibilidad de rechazo inmunológico por parte del receptor de los tejido u órganos del donante. El mecanismo de rechazo se debe a la puesta en marcha del sistema inmune del receptor. Cuando se implanta en un receptor en tejido un órgano de un donante dotado de un determinado antígeno de superficie en sus células, sus linfocitos T no las reconocen como propias y se desencadena la respuesta inmune en su contra. Esto provoca la invasión del trasplante por gran número de linfocitos citotóxicos y de macrófagos, que son las células que causan el rechazo. Los linfocitos T no reconocen como propias las proteínas MHC de las células del injerto, que actúan como antígenos de superficie e inician su actividad contra ellas. Se producen entonces varios procesos, que tienen como consecuencia la necrosis del tejido u órgano trasplantado. Los linfocitos citotóxicos activan a los macrófagos y también, gracias al interferón a las células NK, que segregan perforinas que atacan a las membranas de las células del trasplante y las destruyen. Los neutrófilos también fagocitan células con opsoninas y las plaquetas forman trombos. La producción de anticuerpos en respuesta a los antígenos MHC activa al sistema del complemento que causa lisis celular. El rechazo está en función de los diferentes que sean los antígenos de superficie del donante y del receptor. Se consideran trasplantes seguros los isotrasplantes y los autotrasplantes. Sin embargo, tanto en los xenotrasplantes como en los alotrasplantes existe riesgo de rechazo. Las posibilidades de rechazo aumentan en medida en que disminuye el parentesco entre el donante y el receptor. Los xenotrasplantes en humanos provienen del cerdo, que es la especie que plantea menos problemas; de hecho, ya se han obtenido cerdos transgénicos que expresan en sus células algunas proteínas humanas. Para evitar el rechazo, se utilizan fármacos inmunosupresores que disminuyen temporalmente la respuesta del sistema inmune. Estos tratamientos, sin embargo, pueden ocasionar otros tipos de problemas debido a que existe posibilidad de infección durante la intervención quirúrgica, por lo que el descubrimiento de la ciclosporina ha constituido un avance muy importante.

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