Proteínas

Concepto y características

Son macromoléculas formadas básicamente por C, O, H y N; es muy frecuente también el S y en menor medida P, Fe, Mg, Cu, etc. Se caracterizan porque:

• Son compuestos de elevado Pm.

• Forman más del 50% del peso en seco de la materia viva.

• Son fundamentales para la estructura y funcionamiento celular: en una sola célula puede haber miles de proteínas diferentes.

• Desempeñan funciones muy diversas.

• Son específicas, diferentes en las especies e incluso en individuos de la misma especie.

• Están formadas por 20 ð-aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.

• Son la expresión de la información genética de la célula y, por tanto, del individuo.

Aminoácidos

Los aa son compuestos que poseen en común un grupo carboxilo o ácido (-COOH) y un grupo amino (-NH2) unidos al mismo átomo de C, llamado carbono ð, diferenciándose en el radical (R).

El Cð de todos los aminoácidos, excepto en la glicina (o glicocola), es asimétrico, por lo que de cada aminoácido hay isómeros D y L y son ópticamente activos (+) y (-).

Algunos aminoácidos son esenciales para el hombre por no poder sintetizarlos; son la lisina, triptófano, fenilalanina, etc.

Los radicales ácidos y aminos de los aminoácidos pueden ionizarse, por lo que su comportamiento es anfótero al convertirse en iones híbridos que se comportan como un par ácido-base que les permite hacer frente a los cambios de pH en el medio celular. El pH en el que tienden a adoptar la forma de dipolo eléctrico (carga eléctrica nula) es distinto para cada aminoácidos y se llama punto isoeléctrico (estudiar por libro pag 57)

Clasificación de los aminoácidos proteicos (ver fotocopia)

Se basa en los grupos R que en unos es polar e hidrófilo y en otros apolar e hidrófobo (ver fórmulas).

A) Neutros no polares e hidrófobos.- Carecen de grupos capaces de formar puentes de H (OH) y tienen igual nº de radicales amino y carboxilo.

B) Neutros polares sin carga.- Más solubles en agua que los no polares porque sus radicales R pueden establecer puentes de H por presentar grupos -OH.

C) Ácidos.- Con mayor nº de radicales carboxilo (-COOH) que amino(-NH2), por lo que su carga es negativa.

D) Básicos.- Con mayor nº de aminos que carboxilos y, por tanto, con carga positiva.

Enlace peptídico

Los péptidos son compuestos formados por dos o más aminoácidos unidos por enlaces peptídicos: enlaces covalentes entre el grupo amino de un aminoácidos y el carboxilo del otro con desprendimiento de una molécula de agua.

En el enlace peptídico los 4 átomos que forman el enlace (-CO-HN-) están en el mismo plano, llamado plano de la amida, con ángulos y distancias concretas, estabilizados por resonancia. El enlace tiene carácter parcial de doble enlace, por lo no permite giros como en los demás enlaces covalentes normales. Este hecho es determinante para la configuración espacial de las proteínas y es la causa de las estructuras.

Estructura de las proteínas (Ver Dibujos)

La actividad biológica de las proteínas depende de su configuración espacial, por ello adoptan la conformación más idónea para desempeñar su función. Existen 4 tipos de estructuras:

Estructura primaria.- Está determinada por la secuencia de los aminoácidos; se refiere al nº, tipo y orden en que están colocados. Se toma como primer aminoácido de una proteína el que tiene libre el radical amino. Esta estructura determina la especificidad de la proteína.

b) Estructura secundaria.- Se refiere a la disposición que adopta la cadena de aminoácidos en el espacio para que sea estable. Para ello se establecen puentes de H entre los aminoácidos, ya

que pueden girar excepto en el enlace peptídico. Hay dos tipos de E-2ª: ð-hélice y ð-laminar.

- ð-hélice.- En este caso el polipéptido se enrolla en espiral sobre sí mismo mediante giros en torno al Cð y la cadena se estabiliza mediante p. De H entre los grupos -NH y -COOH de distintos aminoácidos (cada 4 aa) que quedan enfrentados al enrollarse. Cada vuelta de hélice contiene 3,6 aminoácidos.

- ð-laminar o de hoja plegada.- Consiste en el plegamiento de la cadena, estableciéndose puentes de H entre la misma o distintas cadenas de polipéptidos; las cadenas pueden estar orientadas de forma paralela o antiparalela.

Estructura terciaria.- Es la forma tridimensional o conformación que adopta la proteína en el espacio: en unas proteínas es globular y en otras filamentosas o fibrilar. Esta estructura está estabilizada por diversos tipos de enlaces:

• Puentes disulfuro (-S-S-), son enlaces covalentes fuertes.

• Puentes de Hidrógeno

• Fuerzas de Van der Waals,

• Interacciones hidrofóbicas, e,

• Interacciones electrostáticas

Los tres últimos tipos, aunque son mucho más débiles que los disulfuro, tienen mayor importancia en la estabilidad de las proteínas por ser mucho más numerosos.

Estructura cuaternaria.- Solo se da en proteínas formadas por varias cadenas de polipéptidos. Se refiere a la colocación espacial de los diferentes polipéptidos que forman la proteína.

Cada estructura depende del orden anterior y cada proteína mantiene el nivel estructural que permite desempeñar mejor su función biológica. Existen algunas combinaciones que dan gran estabilidad a porciones grandes de las proteínas y que se pueden apreciar en proteínas muy diferentes.

CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Por su naturaleza y composición, se clasifican en holoproteínas y heteroproteínas o p. conjugadas.

- HOLOPROTEÍNAS

Están formadas exclusivamente por aminoácidos. Según su forma se clasifican en:

a) Proteínas globulares.- Tienen forma esférica y son solubles en disoluciones acuosas. Comprenden los siguientes tipos:

- Albúminas (ovoalbúminas, lactoalbúminas y seroalbúmnias), con funciones de reserva y transportadora.

- Globulinas, comprenden las a y b-globulinas, asociadas a la hemoglobina, y las γ-globulinas o inmunoglobulinas, constituyentes de los anticuerpos.

- Histonas y protaminas, asociadas al ADN de los eucariotas.

b) Proteínas fibrosas o escleroproteínas.- Son insolubles en agua y desempeñan funciones estructurales, como el colágeno, la elastina, la queratina y la fibroína.

- HETEROPROTEÍNAS

Están formadas por dos tipos de componentes: el grupo proteico, formado por cadenas peptídicas y el grupo prostético, de naturaleza no proteica. Según sea este grupo prostético:

a) Glucoproteínas: glúcido. Son las proteínas de membrana, y algunas hormonas.

b) Lipoproteínas: lípido. Se encuentran en la sangre, y los lípidos (triglicéridos, colesterol, etc) se asocian para facilitar su transporte por la sangre.

c) Cromoproteínas: pigmento (sustancia coloreada) que puede ser de dos clases:

- De naturaleza porfirínica, como el grupo hemo de la hemoglobina y la mioglobina (transportadoras de O2), que contiene un catión de Fe al que deben su coloración.

- De naturaleza no porfirínica, o sea, sin anillos tetrapirrólicos, como la hemocianina (con Cu) y la hemeritrina (con Fe). Ambas transportan el O2 en la sangre de invertebrados.

d) Fosfoproteínas: PO4H3. La caseína de la leche.

e) Nucleoproteínas: ADN. Las histonas y protaminas de eucariotas.

FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LAS PROTEÍNAS

1- Función de reserva energética.- En general, las proteínas no son carburantes metabólicos típicos, por lo que no se utilizan para la obtención de energía. No obstante, algunas como la ovoalbúmina de la clara de huevo, la caseína de la leche o la gliadina de la semilla de trigo, son utilizadas por el embrión en desarrollo como nutrientes.

2.- Función estructural.- Es una de las funciones más características:

- Algunas glucoproteínas forman parte de las membranas celulares. Intervienen en el transporte selectivo de iones (bomba de Na-K)

- Otras proteínas forman el citoesqueleto de las células, las fibras del huso, de los cilios y flagelos.

- Otras, como las histonas forman parte de los cromosomas eucariotas.

- El colágeno, que mantiene unidos los tejidos animales y forma los tendones y la matriz de los huesos y cartílagos.

- La elastina, en el tejido conjuntivo elástico (ligamentos paredes de vasos sanguíneos).

- La queratina, que se sintetiza en la epidermis y forma parte de pelos, uñas, escamas de reptiles, plumas, etc.

- La fibroína, que forma la seda y las telas de arañas. Es una disolución viscosa que solidifica rápidamente al contacto con el aire.

3- Función homeostática.- Las proteínas intracelulares y del medio interno intervienen en el mantenimiento del equilibrio osmótico en coordinación con los tampones.

4- Función hormonal.- Algunas hormonas son de naturaleza proteica, por ejemplo, la insulina y el glucagón, que regulan el metabolismo de los glúcidos, y las hormonas segregadas por la hipófisis (hormona del crecimiento y otras).

5- Función de transporte.- Además de las proteínas transportadoras de las membranas, existen otras extracelulares que transportan sustancias a lugares diferentes del organismo. Así, la hemoglobina, la hemocianina y la mioglobina del músculo estriado. Los citocromos transportan electrones en la cadena respiratoria (mitocondrias) y en la fase luminosa de la fotosíntesis (cloroplastos). La seroalbúmina transporta ácidos grasos, fármacos y productos tóxicos por la sangre. Las lipoproteínas transportan el colesterol y los triacilglicéridos por la sangre.

Debido a la insolubilidad de los lípidos en el agua, para poder ser transportados por la sangre se combinan con las proteínas formando las lipoproteínas plasmáticas. En el plasma humano se distinguen las siguientes clases:

- Quilomicrones.- Transportan triacilglicéridos y colesterol exógenos desde el intestino hasta el hígado.

- Lipoproteínas de baja densidad (LDL).- Denominadas así por tener más lípido que proteína. Transportan triglicéridos y colesterol endógenos desde el hígado hasta los tejidos. Es el llamado “colesterol malo”: cuando el nivel de LDL en sangre supera los 180 mg/100 ml, el colesterol de las LDL se deposita en las paredes de las arterias formando las placas ateromatosas que originan la arteriosclerosis El nivel de las LDL en la sangre aumenta con dietas ricas en ácidos grasos saturados y en colesterol.

- Lipoproteínas de alta densidad (HDL).- Transportan colesterol de los tejidos y el depositado en las arterias al hígado donde es destruido. Es el “colesterol bueno”. El nivel de HDL aumenta con dietas ricas en ácidos grasos insaturados (aceite de oliva, por ejemplo)

6- Función defensiva.- Muy importante. Las inmunoglobulinas o γ-globulinas forman los anticuerpos que constituyen el sistema inmunitario.

7- Función contráctil.- El movimiento y la locomoción en los organismos unicelulares y pluricelulares dependen de las proteínas contráctiles: la dineína, en cilios y flagelos, y la actina y miosina, responsables de la contracción muscular.

8- Función enzimática.- Es la función más importante. Las enzimas son las proteínas más numerosas y especializadas y actúan como biocatalizadores de las reacciones que constituyen el metabolismo celular. Se diferencian de los catalizadores no biológicos porque las enzimas son específicas de la reacción que catalizan y de los sustratos que intervienen en ellas.

PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS

Dependen básicamente de los radicales -R- de los aminoácidos que las constituyen, que pueden reaccionar entre sí y con las sustancias que los rodean.

1) ESPECIFICIDAD.- Cada especie sintetiza sus propias proteínas, incluso con diferencias entre seres de la misma especie. El grado de semejanza es una prueba del parentesco evolutivo entre dichas especies. Pruebas de esto son, por ejemplo:

- El sistema inmunitario, formado por proteínas capaces de hacer frente a la invasión de virus, bacterias y proteínas extrañas.

- La hemoglobina humana, formada por 4 cadenas polipeptídicas y basta con que en dos de sus cadenas el glutámico sea sustituido por la valina para que se presente la anemia falciforme.

- La elevada especificidad de las enzimas para cada reacción y para el sustrato.

2) SOLUBILIDAD.- Gran parte de las proteínas son solubles en agua e insolubles en alcohol y en disolventes orgánicos (disolventes de lípidos). Esta solubilidad depende de factores como su tamaño, estructura, aminoácidos que la forman y del pH.

3) DESNATURALIZACIÓN.- Es la pérdida total o parcial de los niveles de estructura superiores al primario y como consecuencia la pérdida de su funcionalidad. La desnaturalización puede ser provocada por variaciones del pH, aumentos de temperatura, radiaciones, acción de determinadas sustancias químicas, etc. Puede ser reversible o irreversible.

4) COMPORTAMIENTO ÁCIDO-BASE.- Excepto los de los extremos C-terminal y N-terminal, los grupos carboxilo y amino de las proteínas están neutralizados formando el enlace peptídico por lo que no influyen en las propiedades ácido-base de éstas. Sin embargo, como las cadenas laterales de algunos aminoácidos pueden ionizarse y tener carácter básico o ácido, las proteínas presentarán una carga eléctrica neta diferente según el pH del medio y los aminoácidos componentes.

Resumiendo: cada proteína tendrá un comportamiento ácido-base similar al de los aminoácido y un punto isoeléctrico determinado.

ENZIMAS

1) CONCEPTO

Los/as enzimas son las proteínas más especializadas, como corresponde a su acción catalizadora de los procesos biológicos: degradación de nutrientes, transformaciones energéticas, síntesis de moléculas orgánicas, regulación de procesos metabólicos, etc.; incluso se mantienen activas fuera de la célula.

La mayoría de las reacciones celulares no se pueden producir espontáneamente a la velocidad adecuada, pues requerirían una elevada temperatura que sería letal para la célula, por lo que es decisiva la acción enzimática para conseguir dicha velocidad de reacción.

Las enzimas actúan sobre sustancias determinadas, llamadas sustratos, transformándolos. En muchos casos el sustrato es una sustancia muy compleja que debe transformarse en otra u otras más simples; el enzima se une al sustrato debilitando los enlaces que mantienen unidos a los átomos que lo forman y haciendo más sencilla su transformación.

Los aminoácidos que forman la enzima son, en principio, de dos tipos:

- estructurales.- Forman el “esqueleto” del enzima

- catalíticos.- Llevan a cabo la transformación del sustrato.

Los enzimas pueden realizar su función con los radicales de sus aminoácidos, otras necesitan además un componente no proteíco llamado cofactor. El complejo enzima-cofactor se llama holoenzima. Con frecuencia el cofactor es un ión metálico (Fe++, Mg++, etc), en otros casos es un compuesto orgánico y entonces se le denomina coenzima; muchas vitaminas son coenzimas. Si el cofactor (ión metálico o coenzima) está unido mediante enlace covalente a la parte proteica se le llama grupo prostético.

2) PROPIEDADES DE LOS ENZIMAS

- Son solubles en agua y difusibles en líquidos orgánicos.

- Se requieren en dosis mínimas, ya que ni se transforman ni se gastan en la reacción.

- Tienen gran actividad pudiendo transformar sustratos con masas moleculares mucho mayores que ellas.

- Provocan que las transformaciones se produzcan a gran velocidad.

- Disminuyen la energía de activación y permiten que la reacción se realice a menor temperatura.

- Se alteran por acción del calor, cambios de pH, radiaciones, etc., como proteínas que son.

- Son muy específicas.- Posiblemente, la propiedad más importante.

3) ESPECIFICIDAD DE LOS ENZIMAS

Puede ser de varios tipos:

A) Especificidad de sustrato.- Es la capacidad de cada enzima para diferenciar sustancias con características semejantes. Ésta es absoluta cuando un enzima solo puede catalizar la transformación de un sustrato: en algunos casos sólo puede unirse a uno de los isómeros D o L de una misma sustancia, pero no a los dos.

B) Especificidad de acción.- Hay enzimas que realizan solamente un tipo de transformación química (deshidrogenación, descarboxilación, etc.)

C) Especificidad de grupo.- Consiste en la capacidad de algunos enzimas para catalizar la transformación de un grupo de sustancias que tienen un tipo de enlace determinado, por ejemplo la ð-glucosidasa, que actúa sobre los glúcidos con enlace a, o que son portadoras de determinados grupos químicos, por ejemplo las fosfatasas separan los enlaces fosfato de cualquier tipo de molécula.

4) CONCEPTO DE CENTRO ACTIVO: CINÉTICA ENZIMÁTICA

Es una zona, generalmente cóncava, llamada también catalítico, formada por una serie de aminoácidos que pueden estar muy alejados entre sí en la estructura 1ª, pero cercanos en la 3ª. La zona del enzima (E) que forma el centro activo tiene una estructura tridimensional complementaria a la molécula del sustrato.

El centro activo se une al sustrato por interaCciones iónicas, hidrofóbicas o puentes de hidrógeno, formándose el complejo enzima-sustrato (ES). Existe una coplementariedad entre el centro activo y el sustrato, de modo que si el sustrato posee carga negativa, en el centro activo tendrá aminoácidos con cargas positivas en sus radicales (R). De igual modo, si en el sustrato hay átomos aceptores de puentes de hidrógeno, en el centro activo habrá aminoácidos con radicales donadores de puentes de hidrógeno.

Según la hipótesis del “ajuste inducido” de Koshland, entre el centro activo y el sustrato existe una complementariedad espacial inicial que va acompañada de una flexibilidad de la cadena de aminoácidos que permitiría la adaptación completa de la estructura del enzima a la molécula de sustrato.

Esta unión cambia el sustrato transformándose el complejo ES en complejo enzima-producto(s) que finalmente se separan liberándose el enzima y el producto:

Enzima + Sustrato Enzima-Sustrato Producto + Enzima

Los enzimas, como todos los catalizadores químicos o biológicos, reducen la energía necesaria para que las moléculas del sustrato entren en el estado de actividad transitoria que facilite el inicio y desarrollo de la reacción, es decir, rebajan la energía de activación.

La disminución de la energía de activación hace que aumente la velocidad de reacción.

5) FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA

A) TEMPERATURA.- Cada enzima tiene una temperatura óptima para la cual su actividad es máxima. En general, un aumento de temperatura favorece la movilidad de las moléculas al tener mayor energía cinética, pero si la tª es excesiva el enzima puede desnaturalizarse e inactivarse. Al contrario, una temperatura baja puede detener la acción enzimática.

B) pH.- Cada enzima tiene un valor de pH óptimo, generalmente próximo a 7, para el cual la actividad es máxima, aunque en algunos casos, por ejemplo los enzimas digestivos pepsina y tripsina funcionan a pH muy ácidos. Existen dos valores de pH, uno máximo y otro mínimo, que suponen un límite para la actividad enzimática.

C) Concentración de sustrato.- En general, un aumento de la concentración de sustrato supone un incremento en la velocidad de reacción pues se facilita la formación del complejo ES y a partir de cierta [S la velocidad es máxima Vm y no aumenta. Esto se debe a que los centros activos están saturados. Como la Vm nunca se alcanza, se utiliza el concepto de Km (constante de Michaelis-Menten) que es la [S] para la cual la velocidad es la mitad de la máxima (velocidad semimáxima).

6) INHIBICIÓN ENZIMÁTICA

Los inhibidores enzimáticos son sustancias que disminuyen o anulan la actividad enzimática. La inhibición puede ser irreversible o reversible:

A) Inhibición irreversible o envenenamiento enzimático. Si el inhibidor afecta al centro activo destruyéndolo o anulándolo permanentemente. Por ejemplo los iones CN- del cianuro que inhibe la citocromo-oxidasa paralizando el catabolismo aerobio. Otros inhibidores irreversibles son los metales pesados como el plomo, mercurio, etc.

B) Inhibición reversible. En este caso, una vez que el inhibidor deja de actuar, el enzima recupera su actividad pues no se destruye el centro activo. La I. Reversible puede ser:

- Competitiva. El inhibidor es una sustancia muy similar al sustrato por lo que compiten los dos por el centro activo. La concentración relativa del sustrato y de inhibidor determinará que se produzca o no la inhibición. Así, si se aumenta la concentración de sustrato se evita la inhibición y viceversa.

- No competitiva. En este caso el inhibidor no se une al centro activo, pero modifica la estructura del enzima dificultando el acceso de éste al sustrato.

Un tipo de inhibición muy importante es el que realizan los enzimas alostéricos.

7) ENZIMAS ALOSTÉRICOS

Poseen una configuración diferente de los enzimas “clásicos”, ya que su peso molecular es más elevado y además del centro activo al que se fija el sustrato poseen un centro alostérico al que se unen sustancias moduladoras que activan o inhiben a la enzima. Con frecuencia, los activadores son moléculas del sustrato y los inhibidores son moleculas del producto final. Debido a esto, los enzimas alostéricos tienen un papel fundamental en la regulación del metabolismo celular.

A) Regulación alostérica.-El proceso de inhibición por producto final, retroalimentación o feed-back es una regulación muy extendida. Este sistema controla el flujo de metabolitos (productos intermedios) en las rutas metabólicas. Consiste en el aumento o disminución temporal de la actividad inicial de los enzimas que controlan esa ruta metabólica, de forma que el enzima suele ser inhibida por el producto final de esa vía, si se acumula mayor cantidad de la necesaria de ese producto. Supongamos la siguiente ruta metabólica:

E1 E2 E3 E4 E5

A B C D E F

en la que cada secuencia está catalizada por las respectivas enzimas E1,E2,E3,E4 y E5. Cuando la velocidad de formación del producto F es mayor que la necesaria, el aumento de la concentración de dicho producto F actúa como inhibidor de E1. En caso de una disminución posterior de del producto F, éste deja de inhibir al enzima E1, reanudándose las reacciones en cadena.

Este sistema supone una evidente ventaja para la célula, ya que al inhibir a la enzima E1 bloque todas las reacciones secuenciales, dejando así de producirse los metabolitos inermedios B, C, D y E y consiguiéndose un gran ahorro de energía celular. En el metabolismo celular son frecuentes los sistemas multienzimáticos en los que el producto de un enzima hace de sustrato para la siguiente.

Resumiendo, el enzima es activo cuando el sustrato se une al centro activo, y es inactiva cuando el producto final se une al centro alostérico o regulador.

B) Otra forma de activación alostérica ocurre cuando el producto de una determinada cadena o ruta metabólica es deficitario. En este caso, el producto forma una pequeña molécula o ligando que interactúa con el enzima reanudándose así la ruta y obteniéndose de nuevo la cantidad necesaria de producto final. De esta manera la célula sintetiza un producto determinado sólo cuando éste es necesario:

8) CLASIFICACIÓN DE LOS/AS ENZIMAS

Basándose en la reacción que catalizan se clasifican en 6 Clases:

CLASE	ACCIÓN Y EJEMPLO
Óxido-reductasas	Transferencia de e- o átomos de H
Transferasas	Transfieren grupos funcionales entre sustratos. Transaminasas, fosfotransferasas, quinasas, etc
Hidrolasas	Reacciones de hidrólisis rompiendo enlaces éster, glicosídicos, peptídicos, etc. Frecuentes en procesos digestivos. Lipasas, glucosidasas,..
Liasas	Rotura y soldadura de sustratos sin intervención del agua. Actúan sobre dobles enlaces haciéndolos desaparecer. Desaminasas, descarboxilasas,...
Isomerasas	Transforman un sustrato en otro, isómero del primero.
Ligasas o sintetasas	Unen dos o más moléculas. Necesitan ATP que suminister energía para el/los enlaces que se forman.

CITOLOGÍA. CÉLULA PROCARIOTA Y EUCARIOTA. BACTERIAS

1. TEORÍA CELULAR.- La célula es la unidad morfológica, fisiológica, genética y vital de los organismos (ampliar). Van Leeuwenhoek, Robert Hooke, Virchov, Schwann y Ramón y Cajal.

2. FORMA Y TAMAÑO DE LA CÉLULA. ESPECIALIZACIÓN

El tamaño de las células es muy variable, desde los 0,1 ðm de los micoplasmas hasta los varios cm de los huevos de aves y reptiles. El crecimiento celular es limitado una vez que las células alcanzan el estado adulto. Esto es así porque cuanto menor es el tamaño más eficiente es el metabolismo y más fácil resulta el intercambio de sustancias con el exterior pues se dispone de una mayor relación superficie/volumen.

En cuanto a la forma de las células, también es muy variable. En principio tienden a adoptar forma globular debido a la tensión superficial del agua. Sin embargo, las células van a adoptar formas que les capacitan mejor para realizar sus funciones, o sea, la forma está determinada por la función. A esto se le conoce como especialización celular.

3. SERES UNICELULARES Y PLURICELULARES

Es precisamente la especialización la que ha permitido la aparición de seres pluricelulares. Según el registro fósil los primeros pluricelulares aparecen hace 750 millones de años. ¿Que ventaja evolutiva supuso la aparición de éstos?

En un ser unicelular una célula constituye la totalidad del organismo y consiguientemente ha de realizar todas las funciones (teoría celular). Los pluricelulares están formados por numerosas células (tres trillones en el hombre) que mantienen su individualidad

y autosuficiencia. Sin embargo, la diferencia está en la cooperación sobre todo en la especialización. Es decir, en los pluricelulares se produce la repartición del trabajo fisiológico.

4. ORGANIZACIÓN ACELULAR: LOS VIRUS.

5. ORGANIZACIÓN CELULAR: PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS. AUTÓTROFAS Y HETERÓTROFAS.

La organización celular determina la existencia de dos grandes grupos celulares: células procariotas y eucariotas. Su nobre está relacionado con la existencia (eu, verdadero) o no (pro, anterior a, primitivo) de un núcleo (karion, núcleo) diferenciado en el interior de la célula.

Todos los organismos procariotas son unicelulares y se incluyen el reino Monera (bacterias y algas verdeazules o cianofíceas). Los organismos eucariotas, unicelulares o pluricelulares están incluidos en los reinos Fungi (Hongos), Protistas, Vegetal y Animal.

Por otro lado, las celulas pueden ser autótrofas (quimiosintéticas o fotosintéticas), si son capaces de sintetizar materia orgánica a partir de inorgánica, o heterótrofas si sintetizan materia orgánica compleja pero a partir de materia orgánica más simple previamente elaborada.

6. ORGANIZACIÓN PROCARIOTA (BACTERIAS Y ALGAS CIANOFÍCEAS)

7. BACTERIAS

Son microorganismos con organización procariota, o sea, carecen de núcleo entre otras cosas.

7.1. FORMA.- Según la forma, se clasifican en:

- Cocos: esféricas ligeramente ovaladas. Pueden agruparse de dos en dos, diplococos, en varios como las cuentas de un collar, estreptococos, en forma de racimos, estafilococos, o con formas más o menos cúbicas, sarcinas.

- Bacilos: forma de bastón o clíndrica. Suelen formar colonias al unirse unos con otros.

- Vibrios o vibriones: tienen forma de coma.

- Espirilos: son los más alargados y presentan un enrollamiento en espiral. Dentro de éstos, las espiroquetas son las más enrolladas.

7.2. ESTRUCTURA DE LAS BACTERIAS

Hay dos clases de bacterias: las eubacterias, las más comunes y que se encuentran en el suelo, agua y seres vivos (unas son patógenas y otras viven en simbiosis), y las arqueobacterias, que viven en medios extremos como salmueras, aguas termales ácidas, profundidades marinas, etc. Las eubacterias presentan, todas ellas y de fuera hacia dentro, las siguientes estructuras: pared celular, membrana celular, citoplasma y nucleoide.

a) Pared celular.- Está formada por diferentes polisacáridos entre los que destacan los peptidoglucanos. La pared celular presenta dos modalidades que permite clasificar a las bacterias en dos grupos según su comportamiento frente a la tinción de Gram: gram+ y gram-

La pared mantiene la forma, protege a la bacteria frente a condiciones adversas y a los antibióticos, regula el paso de algunas sustancias e influye en la mayor o menor patogenidad.

b) Membrana celular.- Es un mosaico de proteínas incrustadas en una doble capa de fosfolípidos de 75 A y muy semejante a la de eucariotas aunque carente de colesterol. Hacia el interior presenta plegamientos llamados mesosomas en los que abundan los enzimas que intervienen en la duplicación del ADN, en la respiración o fermentación, etc.

c) Citoplasma.- Comprende todo lo que se halla dentro de la membrana celular: ribosomas, nucleoide, sustancias de reserva e inclusiones. La sustancia más abundante es el agua.

d) Nucleoide.- Es una región sin ribosomas en la que se halla el cromosoma bacteriano, ARN y proteínas. El cromosoma es circular y bicatenario a menudo unido a los mesosomas. En muchas bacterias, además del ADN cromosómico, existen otras moléculas más pequeñas de ADN llamadas plásmidos o episomas que confieren resistencia a sustancias químicas nocivas (incluidos los antibióticos). Los plásmidos más grandes intervienen en el proceso de conjugación (proceso parasexual) y los más pequeños llegan a las bacterias por transducción y transformación. Los plásmidos se replican independientemente del ADN cromosómico y son de gran importancia en la ingeniería genética.

Otras estructuras no se hallan en todas las bacterias y son la cápsula, flagelos, inclusiones, fimbrias o pili y endosporas.

e) Cápsula.- Envoltura de 100 a 400 A de grosor que rodea a la pared celular, muy frecuente en bacterias patógenas. Contiene glucosa, ácido glutámico y ácido glucurónico, pudiendo tener además proteínas. Regula el intercambio de agua, iones y nutrientes, defiende a la bacteria frente a la desecación y bacteriófagos (virus que atacan bacterias), frente a anticuerpos y a la fagocitosis por macrófagos.

f) Flagelos.- Son prolongaciones filamentosas espirales formadas por la proteína flagelina muy frecuentes en los bacilos. Son más sencillos que los de eucariotas y basándose en su número y localización las bacterias flageladas se clasifican en: monotricas, lofotricas, anfitricas y peritricas.(DIBUJO)

g) Inclusiones.- Son gránulos de reserva y productos de desecho del metabolismo. Carecen de membrana. Los hay de glucógeno y almidón, otros son de lípidos, polifosfatos o azufre.

h) Fimbrias o pili.- Son huecas, alargadas y rígidas, adosadas a la pared, más frecuentes en gram- y formadas por la proteína pilina. Fijan la bacteria a diferentes sustratos, intervienen en el intercambio de sustancias con el medio y facilitan el intercambio de ADN entre bacterias mediante el fenómeno de la conjugación.

i) Ribosomas.- Semejantes a los eucariotas en cuanto a estructura y función aunque de menor tamaño. Son ribosomas 70S formados por dos subunidades 50S y 30S. Ambas están formadas por ARNr y más de 50 proteínas. Suelen estar agrupados por un filamento de ARNm formando los polisomas. Su función es la síntesis de proteínas.

j) Endosporas.- Algunas gram+ y bacilos hacen frente a las condiciones adversas transformándose en esporas resistentes a dichas condiciones. Las esporas carecen de metabolismo celular pero “germinan” cuando las condiciones se vuelven favorables. La esporulación es importante en medicina para el tratamiento de bacterias infecciosas y en los procesos de esterilización.

k) Cromatóforos.- Son gránulos sin membrana que contienen bacterioclorofila en las fotosintéticas. Son la unidad estructural de la fotosíntesis.

7.3. FISIOLOGÍA BACTERIANA

a) Nutrición.- Son un grupo muy heterogéneo presentando todos los tipos de metabolismo conocidos. Las hay aerobias y anaerobias. Básandose en la nutrición, las hay:

- Autótrofas, unas fotosintéticas y otras quimiosintéticas.

- Heterótrofas, pudiendo ser saprófitas, simbióticas y parásitas o patógenas.

Son autótrofas fotosintéticas las sulfobacterias verdes y púrpura. La fotosíntesis es anoxigénica pues no liberan oxígeno. Las quimiosintéticas obtienen la energía mediante oxidaciones de compuestos nitrogenados, sulfurados, hierro, metano, etc. Son muy importantes las bacterias del suelo pues intervienen en los ciclos de la materia contribuyendo a su reciclaje.

Las saprófitas se nutren descomponiendo la materia orgánica mediante fermentaciones. Son muy importantes desde el punto de vista ecológico e industrial.

Son muy importantes las bacterias del género Rhizobium que viven en simbiosis con las raices de leguminosas. Otras viven en simbiosis con los animales como Escherichia coli que forma parte de la flora intestinal.

Las parásitas causan enfermedades como la lepra, sífilis, neumonía, tétanos, tuberculosis, etc.

b) Relación.

Ultraestructura de las bacterias

La ultraestructura de las bacterias es muy simple y tan sólo se puede apreciar con el microscopio electrónico y con la utilización de las téc­nicas bioquímicas y citológicas adecuadas, como la ultracentrifugación, las técnicas isotópicas de marcaje, los medios de cultivo dife­renciales, etc. Las características de los principales componentes estructurales de las bacterias son:

1º Pared bacteriana

Es la envoltura responsable de la forma y rigidez de la célula que, además, la protege de una rotura osmótica en medios acuosos. Los componentes fundamentales de la pared son los peptidoglucanos o mureínas, polisacáridos en los que se alternan el N-acetil-glucosamina (NAG) y el N-acetil-murámico (NAM). Además, según pertenezcan al grupo de las Gram negativas o al de las Grarn positivas, contienen otros ele­mentos diferentes:

En las bacterias Gram negativas el peptidoglucano constituye tan sólo el 10 % de la pared y forma una red que se dispone en una sola capa delgada, comprendida entre dos membranas, una interna y otra externa.

En las bacterias Gram positivas el peptidoglucano representa hasta el 90 % de la pared y forma una red que origina varias capas superpuestas, y que por la parte externa enlaza con proteínas, polisacáridos y moléculas derivadas de los ácidos teicoicos

2º Membrana

La membrana de las bacterias es una fina estructura que rodea la célula, separándola del entorno y actuando como una barrera selectiva que permite la concentración de ciertos meta­bolitos en el interior de la célula y la excreción de sustancias de de­secho.

Las bacterias Gram negativas presentan un sistema de doble membrana (interna y externa) con estructura y función diferentes.

- La membrana interna es similar a la membrana plasmática de las célu­las eucariotas, aunque en ocasiones se repliega hacia el citoplasma y origina unas estructuras membranosas denominadas mesosomas. Tanto en la membrana interna como en los mesosomas se localizan diversos sistemas enzimáticos responsables de importantes funcio­nes celulares, como el control del intercambio de sustancias (per­meabilidad selectiva), el transporte de electrones (mediante el con­junto de transportadores de la cadena respiratoria y de la fosforilacián oxidativa) y la síntesis de ADN y de diferentes com­ponentes de la membrana, la pared y la cápsula bacterianas.

- La membrana externa contiene moléculas de lipopolisacárido (LPS), compuesto que no existe en ningún otro ser vivo y que es el res­ponsable de la resistencia a los antibióticos.

Las bacterias Gram positivas carecen de membrana externa, y por tanto son más vulnerables al ataque de determinadas sustancias químicas.

3º Cápsula bacteriana

En la mayoría de las bacterias, ya sean Gram positivas o Gram nega­tivas, se forma en la parte externa de la pared una capa viscosa y pe­gajosa denominada glucocálix o cápsula, compuesta por sustancias glucídicas, entre las que destacan diversos ácidos urónicos, N-acetil­glucosamina, manosa y fucosa. Esta envoltura, que puede ser gruesa o delgada, protege de la desecación, del ataque de los anticuerpos del hospedador y de la fagocitosis por los leucocitos, lo que aumenta la virulencia de las bacterias encapsuladas.

4º Estructuras de la superficie de las bacterias

Algunas bacterias poseen prolongaciones o apéndices en la superfi­cie celular que pueden ser de diferentes tipos: las fimbrias, los pili y los flagelos.

5º Citoplasma

Nucleoide: zona con el cromosoma bacteriano formado por una doble hélice de ADN circular. Algunas bacterias presentan plásmidos o episomas que codifican para funciones especiales como la resistencia a los antibióticos y que se replican independientemente.

Ribosomas: son 70 S formados por una subunidad 30 S y otra 50 S. Pueden estar aislados o formando polirribosomas.

Inclusiones

FUNCIONES DE REPRODUCCIÓN Y GENÉTICA BACTERIANA

Las bacterias se reproducen de dos formas:

a) Asexualmente, por bipartición o división binaria. Es la forma más habitual. En ésta, después de la replicación del ADN, dirigida por la ADN polimerasa de los mesosomas, la pared bacteriana crece hasta formar un tabique transversal que separa las dos nuevas bacterias.

b) Mecanismos parasexuales. En éstos se intercambian fragmentos de ADN. Existen tres formas de intercambio genético: la transformación, la transducción y la conjugación.

1)Transformación. Se produce cuando una bacteria capta fragmentos de ADN de otra bacteria que se encuentran dispersos en el medio. El ADN donante se incorpora mediante sobrecruzamiento o recombinación genética. Se origina una bacteria transformada.

2) Transducción. Es la transferencia de ADN de una bacteria a otra a través de un virus bacteriófago, que se comporta como vector intermediario entre las dos bacterias. Durante la infección lítica, los enzimas que empaquetan el ADN vírico en el bacteriófago introducen a veces accidentalmente ADN bacteriano, con lo que se origina un virus transductor o cleptómano que es liberado en la lisis junto con los viriones normales. Se origina una bacteria transduccida.

3) Conjugación. Se trata de un intercambio genético en el que una bacteria donadora transmite, a través de los pili, un fragmento de su ADN a otra bacteria receptora. Las bacterias donadoras contienen, ademas de su ADN, cadenas pequeñas de ADN circular llamados plásmidos. Los episomas o factores F son los plásmidos mejor conocidos. Las bacterias que los poseen se denominan F+ cuando el factor F está separado del cromosoma. En ocasiones este factor puede integrarse en el cromosoma que se abre y se transforma en una cadena lineal, con lo que la bacteria F+ se convierte en Hfr (alta frecuencia de recombinación).

Las bacterias receptoras carecen de episomas y se denominan F-

Crecimiento microbiano

En un medio favorable, un microorganismo aumenta su tamaño y, cuando éste se duplica, la célula se divide. El periodo que necesitan las células de una población de microorganismos para crecer, divi­dirse y originar dos células nuevas por cada una de las células que existían anteriormente se denomina tiempo de generación o tiempo de duplicación. El incremento del número de células de una pobla­ción de microorganismos se llama crecimiento microbiano, y como el número de células se dobla cada cierto tiempo, se dice que el creci­miento es exponencial.

En los laboratorios los microorganismos se cultivan en sistemas ce­rrados, lo que significa que no se suministran más nutrientes ni se eliminan los productos tóxicos, por lo que el crecimiento pasa por cuatro fases distintas y secuenciales: de latencia, exponencial, esta­cionaria y de muerte.

1ª Fase de latencia. Es el periodo comprendido entre la inoculación del microorganismo en el medio de cultivo y el comienzo del cre­cimiento. Puede ser corto o dilatado, según las condiciones.

2ª Fase exponencial o logarítmica. Se caracteriza porque el tiempo de generación se mantiene constante. Esta variable es típica para cada especie, aunque está influida por las características del medio de cultivo.

3ª Fase estacionaria. En un cultivo cerrado, la población no puede crecer indefinidamente de manera exponencial, pues se consumen los nutrientes o se acumulan productos tóxicos resultantes del me­tabolismo. El intervalo en el que cesa el crecimiento de una po­blación es la fase estacionaria.

4ª Fase de muerte. Después de que una población ha llegado a la fase estacionaria, las células pueden seguir vivas, pero a menudo dejan de metabolizar y mueren. Cuando esto sucede, se dice que la po­blación está en fase de muerte

7.4. IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LAS BACTERIAS

Son muy importantes para mantener el equilibrio global de la Biosfera. Para la humanidad, en particular, son muy útiles por varios motivos:

- Las saprofitas son las responsables, junto con los hongos, del reciclado de la materia orgánica.

- Los ciclos biogeoquímicos no serían posibles sin la presencia de determinadas bacterias.

- Muchas bacterias realizan fermentaciones de las que se obtienen antibióticos, alimentos (derivados lácteos), productos químicos diversos, etc.

- La mayoría de los conocimientos en ingeniería genética se deben a los estudios realizados en bacterias sobre los enzimas de restricción del ADN.

- El estudio y conocimiento de las bacterias ha llevado aparejado el de los virus.

- Entre todas las bacterias hay que destacar a Escherichia coli, bacilo de la flora intestinal, produce insulina e interferón.

- Las bacterias de la flora intestinal humana fabrican algunas vitaminas y atacan a otras patógenas para nuestro organismo.

- El conocimiento de las bacterias causantes de enfermedades es el primer paso para poder combatirlas con antibióticos y para obtener vacunas.

ORGANIZACIÓN EUCARIOTA. ENVUELTAS CELULARES.

Las características generales más importantes son:

- Una membrana celular o plasmática que en algunos (plantas, hongos) está rodeada de una pared celular celulósica.

- El núcleo, donde se encuentran encerrados los cromosomas (nunca uno).

- El citoplasma, que presenta abundantes orgánulos con una función metabólica específica cada uno y cuya presencia, número y distribución varía según el tipo celular.

MEMBRANA CELULAR O PLASMÁTICA

Tiene un espesor que oscila entre 7 y 9 nm visible solo al microscopio electrónico. Actualmente su estructura y composición se explica mediante el modelo de mosaico fluido de Singer y Nicholson propuesto en 1972. Según este modelo, los principales constituyente son lípidos y proteínas.

- Los lípidos son fundamentalemente fosfolípidos que se disponen en forma de bicapa, de manera que las cabezas hidrófilas se sitúan hacia el exterior (interior y exterior de la célula) y las cadenas hidrófobas de ácidos grasos se disponen hacia el interior de la bicapa. Otro lípido muy importante, aunque sólo presente en las células animales, es el colesterol.

- Las proteínas son de dos tipos según su posición en la membrana:

a) Proteínas integrales o intrínsecas, si presentan una parte inmersa en la bicapa. Al igual que los fosfolípidos, estas proteínas son anfipáticas por lo que la parte hidrofóbica se sitúa en el interior de la bicapa interaccionando con los ácidos grasos. Si la proteína atraviesa totalmente la membrana, exponiendo sus extremos a ambos lados, reciben el nombre de proteínas transmembrana.

b) Proteínas periféricas o extrínsecas si se sitúan en el exterior (en cualquiera de las caras) de la bicapa, unidas a los extremos de las proteínas transmembrana o a cadenas de ácidos grasos.

Las proteínas y los lípidos pueden estar unidos a cadenas glucídicas, generalmente oligosacáridos, para formar glucoproteínas y glucolípidos de membrana, pero solamente en la cara externa de la bicapa (o sea, exterior de la célula) formando el glucocálix.

El nombre de mosaico fluido se debe, por un lado, a la apariencia de piezas individuales de un puzzle o mosaico que, consideradas en su conjunto, dan forma al todo y, por otro, a que las piezas no están fijas, sino que gozan de cierta movilidad que depende de varios factores: grado de insaturación de los ácidos grasos, presencia de colesterol y temperatura. La movilidad desempeña un papel muy importante en las funciones de la membrana, sobre todo en lo referente a la permeabilidad.

La membrana plasmática tiene las siguientes propiedades:

a) Asimetría: las dos caras de la bicapa no son iguales debido al glucocálix y a ligeras variaciones en la distribución de los fosfolípidos.

b) Diversidad de funciones: además de constituir el límite de la célula, la membrana desempeña funciones muy diversas: permeabilidad selectiva, control y conservación del gradiente electroquímico entre el interior y el exterior de la célula, recepción y transmisión de mensajes (glucoproteínas) y contención de moléculas funcionalmente activas (antígenos de los grupos sanguíneos, por ejemplo)

c) Especificidad funcional: según las diferencias de composición desarrollarán unas u otras funciones con mayor especificidad.

d) Diferenciaciones: son debidas al desempeño de alguna función concreta y consiste en la alteración morfológica del contorno de la célula, por ejemplo:

- Las microvellosidades de algunas células epiteliales. Son evaginaciones que aumentan la superficie de absorción intestinal.

- Las invaginaciones de las células renales que aumentan la superficie de reabsorción de agua en las nefronas.

- Las uniones intercelulares que posibilitan las interacciones entre células vecinas. Son de tres tipos: estrechas o impermeables, que no dejan espacio intercelular, comunicantes o en hendidura, que dejan un estrecho espacio intercelular, y adherentes o desmosomas, con un espacio intercelular mayor.

TRANSPORTE DE SUSTANCIAS A TRAVÉS DE MEMBRANA

La membrana realiza un permeabilidad muy selectiva para el paso de sustancias entre el exterior y el interior celular.

En el transporte de sustancias a través de membrana hay que diferenciar: transporte pasivo y activo de moléculas pequeñas y transporte de macromoléculas mediante vesículas (endocitosis y exocitosis)

a) TRANSPORTE PASIVO DE MOLÉCULAS PEQUEÑAS

Se denomina pasivo porque no implica consumo de energía por parte de la célula. Para ello se aprovecha el gradiente químico, teniendo en cuenta que la membrana es permeable al agua y a las sustancias polares. Se lleva a cabo por tres mecanismos: ósmosis, difusión simple y difusión facilitada.

- Ósmosis.- Es un caso especial de difusión simple.

- Difusión simple.- Ha de existir un gradiente de concentración a ambos lados de la membrana y el paso de sustancias se produce siempre a favor del mismo. Es necesario que las sustancias sean hidrófobas (lipófilas) para que se disuelvan en la matriz lipídica de la membrana; así pasan sustancias como el O2, el CO2, ciertos iones, etc. También pueden pasar sustancias menos hidrófobas; en este caso actúan las proteínas integrales que crean poros temporales y se les denomina proteínas canal.

- Difusión facilitada.- Se produce a favor de gradiente con la intervención necesaria de proteínas de membrana llamadas permeasas que son muy específicas para las moléculas que transportan de modo que se unen a ella. Tras la unión sufren un cambio en la conformación que permiten la translocación de la molécula a través de la membrana, soltándola una vez que se encuentra al otro lado y recuperando la estructura original.

b) TRANSPORTE ACTIVO DE MOLÉCULAS PEQUEÑAS (170)

El transporte activo implica un gasto de energía necesario para vencer el gradiente contra el que se realiza el mismo. Este transporte tiene dos características fundamentales: una, la necesitad de proteínas integrales llamadas transportadoras (carriers), que actúan como bombas de impulsión de sustancias, y otra, la hidrólisis de ATP a ADP para la obtención de la energía mencionada.

El modelo mejor conocido es la bomba de Na-K. Este transporte permite que se mantengan las diferencias de potencial químico entre ambos lados de la membrana: la concentración de Na+ es mucho menor en el interior que en el exterior, a oesar de que la entrada de dicho ión está facilitada, ya que el interior celular es eléctricamente negativo, y la concentración de K+ es mucho menor en el exterior que en el interior. Lo más interesante del modelo es que la fosforilación y defosforilación de la proteína llevan consigo cambios conformacionales que permiten el transporte.

Se consideran tres tipos de moléculas transportadoras, distinguiéndose aquellas que transportan una sola molécula cada vez y otras que transportan dos moléculas diferentes; en este caso se habla de sistemas acoplados o cotransportadores:

• Uniporte.- Moléculas que conducen una sola molécula y en un solo sentido.

• Simporte.- Sistema acoplado en el que la transportadora mueve dos moléculas simultáneamente y en el mismo sentido.

• Antiporte.- Sistema acoplado en el que se produce el transporte de dos moléculas, de forma simultánea o sucesiva, pero en sentido contrario. Este es el caso de la bomba de Na-K.

c) TRANSPORTE DE MACROMOLÉCULAS MEDIANTE VESÍCULAS: ENDOCITOSIS Y EXOCITOSIS

- La endocitosis consiste en la ingestión de macromoléculas mediante la formación de vesículas de endocitosis. La membrana celular sufre una invaginación de forma que va rodeando progresivamente a las sustancias hasta que las engloba en una vesícula que se separará por estrangulamiento. Esto requiere un cierto gasto de energía por parte de la célula. Según el tamaño de de las partículas existen dos tipos de endocitosis:

- Fagocitosis: se ingieren moléculas de gran tamaño. Es el caso, por ejemplo, de la ingestión de bacterias por macrófagos.

- Pinocitosis: es la ingestión de sustancias líquidas.

Las vesículas pueden progresar de dos formas: lo normal es que se fusionen con lisosomas primarios para formar lisosomas secundarios. La otra forma se llama micropinocitosis y consiste en que las vesículas atraviesan todo el citoplasma de forma que las sustancias captadas por un lado son vertidas, por exocitosis, por el otro. Esto ocurre en las células endoteliales de los capilares sanguíneos.

Un mecanismo característico es la endocitosis mediada por receptor: es un proceso muy específico, pues para que se produzca es necesario la existencia en la membrana de receptores específicos para las moléculas que se van a englobar. Las vesículas que se forman presentan un revestimiento de proteínas por lo que se denominan vesículas revestidas. Este es el mecanismo por el cual las células ingieren el colesterol que se encuentra en la sangre en forma de LDL (lípidos de baja densidad).

- La exocitosis es la expulsión, mediante vesículas, de sustancias. Es un proceso contrario a la endocitosis en el que las vesículas que engloban las sustancias que serán expulsadas migran hacia la membrana y se adhieren a ella por aposición; posteriormente, las membranas se funden y se expulsan las sustancias.

PARED CELULAR

Numerosos organismos presentan en sus células una pared celular que rodea a la membrana plasmática y, en todos los casos, además de dar forma a la célula, le confiere soporte mecánico, protección y mantiene el balance osmótico. La composición de la pared varía de un organismo a otro:

- En bacterias contiene peptidoglucanos y, según los casos, lípidos.

- En las algas está formada por celulosa y pectina.

- En los hongos predomina la quitina con presencia menor de proteínas, lípidos, sales y pigmentos.

- En los vegetales el principal componente es la celulosa aunque también suelen presentar pectina, hemicelulosa, monosacáridos, etc.

12. PARED CELULAR VEGETAL

La estructura de la pared consiste en un retículo microfibrilar, formado por celulosa, inmerso en una matriz amorfa formada por el resto de componentes unidos débilmente a las fibras.

Cuando una célula vegetal se divide, entre las dos células hijas queda una cierta cantidad de matriz amorfa llamada lámina media. Entre ésta y las membranas respectivas, cada célula forma la pared primaria, con un alto contenido en agua (80-90%).

Cuando la célula termina su crecimiento comienza a engrosar la pared celular. Por un lado añade dos hojas más de microfibrillas a su pared primaria y, por otro, sintetiza la pared secundaria. Esta nueva pared, situada entre la primaria y la membrana, está formada por entre 3 y 20 hojas, contiene agua en una proporción muy inferior (25-35%) y disminuya la cantidad de matriz.

Según los tipos celulares vegetales la pared puede incorporar lignina, sales, suberina, etc., que confieren mayor rigidez y que suele suponer la muerte de la célula al impermeabilizarla.

En la pared pueden aparecer también diferenciaciones que permiten el paso de sustancias entre células vecinas. Concretamente son de dos tipos: las punteaduras y los plasmodesmos, que son canales que ponen en contacto los citoplasmas de dos células contíguas.

CITOPLASMA: HIALOPLASMA Y ORGÁNULOS CELULARES

HIALOPLASMA O CITOSOL

Se trata de un medio acuoso, bastante viscoso y donde, gracias a los enzimas que presenta, tiene lugar una serie importante de las reacciones metabólicas como son: la glucolisis, al glucogenogénesis, la activación de los aminoácidos y la síntesis de ácidos grasos.

En cuanto a la composición química, el agua (80%) y las proteínas (15%) son los principales componentes. También hay cantidades importantes de ácidos nucleicos, precursores de macromoléculas, intermediarios metabólicos, sales e iones.

CITOESQUELETO

A medida que las células crecían y aumentaban su tamaño sus estructuras internas se hacían más complejas, por lo que necesitaron organizar su espacio interior. Apareció una especie de andamiaje proteico llamado citoesqueleto. Consiste en tres tipos de filamentos unidos por enlaces cruzados :

a) Filamentos de actina o microfilamentos: intervienen en la contracción muscular, movimiento ameboide y en la fagocitosis, producen corrientes citoplasmáticas o de ciclosis en células vegetales, etc.

b) Microtúbulos: formados por una proteína globular llamada tubulina. Forman el huso.

c) Filamentos intermedios: formados por queratina. Proporcionan estabilidad mecánica.

Centrosoma. CIlios y Flagelos.

El centrosoma es un orgánulo no membranal, que no está presente en células vegetales. Normalmente se localiza a un lado del núcleo, junto a su membrana, y cuando la célula va a entrar en mitosis genera una copia de sí mismo.

Está constituido por tres componentes:

a) Centriolos: dos estructuras de forma cilíndrica, dispuestas en ángu­lo recto y que constituyen el diplosoma. Cada centriolo está formado por nueve tripletes de microtúbulos interconectados que constituyen las paredes del cilindro. (El microtúbulo de cada triplete más cercano al eje imaginario del cilin­dro se denomina microtúbulo A; los dos siguientes se denominan microtúbulo B y C, respectivamente.

b) Áster: conjunto de microtúbulos que salen desde el centro del cen­trosoma y se alargan hacia afuera.

c) Matriz del centrosoma: región del citoplasma que rodea los cen­triolos y que está compuesta por una red de pequeñas fibras de gammatubulina (γ-tubu­lina)

El centrosoma está involucrado en la red de microtúbulos del citoesqueleto y en la formación del huso acromático o mitótico en células animales. Los centriolos también participan en la formación de cilios y flagelos, ya que en el origen de éstos se encuentra una estructura denominada corpúsculo basal o cinetosoma, que es interconvertible con el centriolo

CILIOS Y FLAGELOS

Cilios y flagelos son apéndices móviles de la superficie de las célu­las. Mientras que los cilios son cortos y numerosos, los flagelos son largos y escasos. El tipo de movimiento de unos y otros es también diferente: en los cilios es pendular (flexión de la base) y en los flagelos ondulante (transmisión de la onda hasta el ápice).

La estructura es común para cilios y flagelos y se la conoce como apa­rato ciliar, constituido por (126):

• Raices ciliares: de función contráctil y originadas a partir del cuerpo basal.

- Corpúsculo basal o cinetosoma: con estructura similar, como se ha dicho, a los centriolos. Se encuentra en la base de ambos apéndices y se distinguen dos zonas: una zona distal, que responde exactamente a la estructura del centriolo; y una zona proximal, que presenta la típi­ca estructura de “rueda de carro”, ya que desde el eje tubular parten lámi­nas radiales hacia los tripletes.

- Zona de transición: que corresponde a la base del cilio y donde se encuentra la denominada placa basal, como preludio de la siguiente estructura.

- Tallo o axonema: con la característica estructura 9 + 2, es decir, 9 pares de microtúbulos situados en la periferia y 2 microtúbulos cons­tituyendo el eje central.

Ribosomas.

Los ribosomas están constituidos por dos subunidades de desigual tamaño: subunidad grande y subunidad pequeña. Ambas subunidades tienen que estar unidas para que el ribosoma sea funcio­nal.

Los ribosomas están compuestos por ARN ribosómico (ARNr), y proteínas. Existen diferencias, tanto de tamaño como de composi­ción, entre los ribosomas procarióticos y los eucarióticos (y mitocondriales)(tabla 127). Los proca­rióticos son más pequeños y, consecuentemente, los coeficientes de sedimen­tación, tanto de las subunidades en sí como los de sus ARNr constituyentes, así como el número de proteínas son también menores.

Los ribosomas presentan dos posibles localizaciones en la célula: pueden estar asociados a membrana o libres en el citoplasma. En el primer caso, lo normal es que se encuentren asociados al retículo endoplásmico rugoso o granular. Pero también pueden encontrarse adheridos a la membrana nuclear externa. En el segundo caso, pueden presentarse aislados, lo que es característico de células proca­riotas, o unidos en forma de cadena o collar de perlas, llamados polisomas, típicos de eucariotas.

Las subunidades ribosómicas se forman en el núcleo de la célula, concretamente en el nucleolo. Las subunida­des salen del núcleo independientemente y sólo se unirán en el citoplasma al comienzo de la síntesis de proteínas. La porción de ADN del nucleolo involu­crada en la síntesis de los ribosomas se llama organizador nucleolar. El proceso de síntesis de los diferentes ARN está mediado por enzimas: las ARN polime­rasas-ADN dependientes

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO: RUGOSO Y LISO.

Es una red de compartimentos de membrana intercomunicados por canales y en su interior contiene un líquido similar al del hialoplasma aunque con proteínas características. La membrana del retículo es semejante a la plasmática y si presenta ribosomas en la parte externa se habla de RE rugoso; si no los presenta, RE liso.

Debido a la presencia de ribosomas, el RER está implicado en la síntesis de proteínas, además de almacenarlas y transformalas en glucoproteínas. El RER aparece en todas las células excepto en los glóbulos rojos, y cuanto mayor es la actividad secretora de la célula (glándulas, neuronas, etc) mas abundante será.

El REL está involucrado en tres funciones diferentes:

1ª.- Síntesis, almacenamiento y transporte de lípidos, principalmente fosfolípidos y esteroides como el colesterol. Por ello, el REL es muy abundante en células elevado metabolismo de lípidos, por ejemplo los hepatocitos del hígado.

2ª.- Tratamiento y eliminación de sustancias tóxicas como herbicidas, insecticidas y conservantes. Por ello es muy abundantes en células de la piel, pulmones, riñón, hígado e intestino.

3ª.- Participa en la transmisión del impulso en el músculo estriado.

APARATO DE GOLGI.

Conjunto de estructuras de membrana no comunicadas entre sí, presente en todas las células eucariotas, excepto en glóbulos rojos. Está más desarrollado cuanto más elevada es la actividad secretora de la célula. La unidad básica del orgánulo es el sáculo, que es una vesícula o cisterna aplanada. Al conjunto formado por 4-8 sáculos apilados se le llama dictiosoma; dichos sáculos presentan en sus extremos vesículas más o menos esféricas. La zona del aparato de Golgi próxima al RE recibe el nombre de cara cis y la más alejada, cara trans. En la cara cis se hallan las vesículas de transición y en la cara trans las vesículas de secreción.

Las funciones del aparato de Golgi son:

1ª) Maduración de las proteínas provenientes del retículo.

2ª) Intervenir en los procesos de secreción, almacenamiento y transferencia de glucoproteínas mediante la endocitosis y la exocitosis.

3ª) Formación de las membranas plasmática, del retículo, nuclear, etc.

4ª) En células vegetales, formación de la pared celular.

LISOSOMAS.

Son orgánulos globulares redondeados que se originan a partir del aparato de Golgi. Constituyen el aparato digestivo de la célula ya que contienen en su interior una elevada concentración de enzimas hidrolíticos, llamadas hidrolasas ácidas, pues requieren un pH bajo para su funcionamiento, que catalizan la hidrólisis o digestión de las macromoléculas; su función es la digestión intracelular. El ambiente ácido del interior del lisosoma se genera y mantiene por el bombeo de H+ desde el citosol, lo que garantiza, de paso que éste se mantenga en estado casi neutro. El bombeo es llevado a cabo por una proteína transportadora que consume ATP. Su número varía en función de la actividad celular, siendo muy abundantes, por ejemplo en células defensivas como las macrófagos. Son orgánulos muy polimorfos debido a su función: lisosomas primarios y lisosomas secundarios.

a) Lisosomas primarios: aún no han intervenido en la digestión por lo que en su interior sólo hay enzimas.

b) Lisosomas secundarios: son lisosomas en actividad, es decir, contienen enzimas y sustancias en proceso de degradación.

VACUOLAS

Son vesículas características de las células vegetales. Generalmente son incoloras, aunque pueden contener sustancias coloreadas en solución, como las que dan la coloración a los pétalos de las flores. Su forma y tamaño son muy variados, en función de su contenido en agua, así, las células jóvenes, que poseen poca cantidad de agua, contienen vacuolas muy abundantes pero de reducido tamaño. En células adultas diferenciadas, como la de los parénquimas, el número de vacuolas disminuye pero su tamaño aumenta.

En ocasiones, la célula vegetal presenta una vacuola que ocupa casi todo el volumen celular, desplazando al núcleo y al citoplasma a los límites de la célula. Esta vacuola recibe el nombre de vacuola central. La membrana de la vacuola se la denomina tonoplasto. Su función es almacenar sustancias como agua, sustancias nutritivas (almidón, lípidos,.), sustancias de desecho tóxicas (nicotina) y pigmentos. Además, mantienen la turgencia celular.

En células animales las vacuolas o no existen o se consideran lisosomas: vacuolas autofágicas y vacuolas digestivas.

MITOCONDRIAS

Son orgánulos ovalados constituidos por dobles membranas, una externa y otra interna que forma repliegues llamados crestas mitocondriales dispuestas perpendicularmente al eje longitudinal de la mitocondria. Ambas membranas delimitan entre sí el espacio intermembranal. El espacio delimitado por la membrana interna es la matriz mitocondrial. Tanto la composición química como la fisiología de las dos membranas son diferentes; así, la membrana interna es mucho más rica en proteínas, mientras que la externa es mucho más permeable y desempeña un papel importante en la fosforilación del ADP a ATP.

Las mitocondrias contienen en su matriz moléculas de ADN mitocondrial, semejantes a las de procariotas, y ribosomas adosados a la membrana interna. Por ello tienen cierta autonomía, pues son capaces de fabricar proteínas propias gracias a sus ribosomas, su ADN, enzimas, ARN y diferentes monómeros.

La función de las mitocondrias es la obtención de energía mediante una serie de reacciones oxidativas que constituyen tres procesos: el ciclo de Krebs, el transporte de electrones a través de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa. Estos procesos, más la glucolisis, realizada en el citoplasma, constituyen la respiración celular.

CLOROPLASTOS

Son orgánulos propios de eucariotas fotosintéticas. Contienen una serie de pigmentos, entre los que abundan las clorofilas de color verde y que intervienen en el proceso inicial de captación de la luz. Están formados por una envoltura constituida por una doble membrana, la externa y la interna que delimita el interior llamado estroma. Entre las dos membranas se encuentra el espacio intermembranal.

En el estroma existen formaciones membranosas con forma de sacos llamadas tilacoides, orientados según el eje mayor del cloroplasto. Los tilacoides emiten vesículas que se apilan en grupos de 50 o más que reciben el nombre de grana. En la membrana de los tilacoides se localizan la cadena de transporte de electrones, un sistema que permite la absorción de energía luminosa y una ATP-sintetasa.

Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos poseen también ADN circular, ARN, enzimas necesarias para su duplicación y ribosomas aunque distintos y más numerosos que los de las mitocondrias.

La función de los cloroplastos es la fotosíntesis, que implica una serie de reacciones dependientes de la luz, la fase luminosa, que tiene lugar en las membranas de los tilacoides, y otra serie de reacciones que no dependen de la luz, la fase oscura, que ocurre en el estroma.

NÚCLEO INTERFÁSICO

Observado por primera vez por R. Brown en 1831, es un corpúsculo relativamente grande que se encuentra en todas las células eucariotas excepto en glóbulos rojos. Generalmente hay un núcleo por célula, aunque existen células binucleadas y multinucleadas. Su forma es normalmente esférica y suele adoptar una posición central, aunque en células vegetales está lateralizado debido al gran tamaño de la vacuola. En su interior se encuentra la información genética, por lo que controla la actividad celular.

El núcleo puede presentarse en dos estados: en reposo o núcleo interfásico o en división o núcleo mitótico. En el núcleo interfásico se diferencian las siguientes estructuras: membrana nuclear, nucleoplasma, cromatina y nucleolos.

A) Membrana nuclear.- es una doble membrana que se continúa con las del RE. Posee numerosos poros debido a la fusión de las dos membranas en los complejos de poro. La función de los poros es permitir el paso bidireccional de sustancias. La membrana externa puede tener adosados, al igual que el RER, ribosomas.

B) Jugo nuclear o nucleoplasma.- O carioplasma, de composición similar a la del hialoplasma. Incluye gran cantidad de proteínas y enzimas involucradas en la replicación del ADN y en la transcripción del ARNm.

C) Cromatina.- El material genético está constituido por moléculas de ADN. En los eucariotas cada molécula de ADN esta densamente empaquetada alrededor de proteínas formando la cromatina. Las proteínas presentes en la cromatina se clasifican en histonas y no histonas. Las histonas son exclusivas de eucariotas, se encuentran en igual cantidad que el ADN, son de pequeño tamaño y contienen proporciones elevadas de aminoácidos cargados positivamente (lisina y arginina) lo que les permite unirse fuertemente al ADN.

Hay dos grupos de histonas:

- Histonas nucleosomales (H2A, H2B, H3 Y H4), responsables del empaquetamiento del ADN en los nucleosomas.

- Histonas H1, que presenta formas específicas según las células, implicadas en el apilamiento o condensación de los nucleosomas.

Por el grado de condensación de la cromatina, ésta puede ser de dos tipos: eucromatina, muy difusa, y heterocromatina, más condensada. El mayor grado de condensación del material genético se produce cuando la célula se va a dividir; entonces la cromatina se transforma en cromosomas.

En metafase, cada cromosoma está formado por dos cromátidas idénticas unidas entre sí por el centrómero o constricción primaria. En el centrómero se encuentra el cinetocoro, que es por donde se une el cromosoma al huso mitótico durante la mitosis. Las partes del cromosoma a cada lado del centrómero se llaman brazos. Según la posición del centrómero los cromosomas se clasifican en: telocéntricos, subtelocéntricos, submetacéntricos, metacéntricos (dibujo).

Además del centrómero, pueden existir otros estrechamientos llamados constricciones secundarias. Los segmentos finales de los cromosomas son los telómeros que pueden parecer casi separados del cromosomas; en este caso se le llama satélite y al cromosoma, cromosoma-sat.

NUCLEOLOS

Es una región esférica del núcleo que presenta una concentración elevada de ARN y proteínas. Están relacionados con constricciones secundarias llamadas organizadores nucleolares. Su función es la síntesis de los ARN y su empaquetado para formar las subunidades de los ribosomas. Su número es de 1 o 2 por núcleo.

METABOLISMO CELULAR: ANABOLISMO Y CATABOLISMO

INTRODUCCIÓN

El metabolismo celular comprende todas las transformaciones químicas que ocurren en las células para satisfacer sus necesidades de materia y energía. En el metabolismo celular hay que distinguir dos aspectos del mismo proceso:

- Catabolismo: es la degradación de la materia orgánica con la finalidad de obtener energía.

- Anabolismo: es la formación de sustancias orgánicas complejas, utilizando otras más sencillas presentes en la célula.

El metabolismo requiere unas condiciones para poderse realizar:

- Temperatura relativamente baja para evitar la desnaturalización de las proteínas.

- Medio acuoso, como es el medio celular.

- Un pH determinado.

- Siguiendo las leyes de la termodinámica.

El metabolismo es una actividad celular muy compleja que siempre está regida y coordinada por sistemas multienzimáticos que permiten a la célula:

- Obtener energía química de su entorno, sea a partir del sol o de compuestos orgánicos.

- Convertir el alimento en metabolitos específicos de la célula.

• Unir moléculas sencillas (monosacáridos, aminoácidos,..) para formar macromoléculas como polisacáridos, proteínas, etc.

• Sintetizar y degradar moléculas especiales que la célula necesita en momentos puntuales.

CONCEPTOS.

La bioenergética es una parte de la fisiología que estudia las transformaciones de la energía en los seres vivos. Las células cuentan con mecanismos muy eficaces para recoger la energía luminosa del sol, o para extraerla de sustancias oxidables (reducidas), y, en ambos casos, utilizan esa energía para llevar a cabo todos los procesos que realizan.

Las reacciones catabólicas son convergentes, es decir, de moléculas muy diferentes se obtienen unas pocas sustancias sencillas como ácido láctico, urea, CO2, etc. En cambio, las reacciones anabólicas son divergentes, es decir, con unas pocas sustancias se pueden formar muchas diferentes y complejas (173)

Entre los seres vivos, unos viven en ambientes con O2 y lo utilizan: ese ambiente y su metabolismo se califica como aerobio. En su catabolismo se puede producir la transferencia de electrones al O2 desde las moléculas que les suministran la energía.

Otros seres vivos viven en ambientes sin O2 o con escasez de éste: es un medio anaerobio, lo que les obliga a prescindir del O2, siendo, en algunos casos, letal (anaerbios obligados)..

ASPECTOS ENERGÉTICOS Y REGULACIÓN EN LAS REACCIONES METABÓLICAS.

Todas las reacciones biológicas implican algún cambio en la energía disponible por parte de la célula, y en todos los casos se siguen las leyes físicas referentes a las transformaciones energéticas. En toda actividad celular una parte de la energía empleada se pierde en forma de calor, lo que aumenta la entropía del medio que rodea a la célula.

En todas las transformaciones que realizan las células es imprescindible la contribución de los enzimas. Los enzimas de una célula suelen actuar en cadena constituyendo una ruta metabólica utilizando unas, como sustrato, los productos obtenidos por otras en pasos anteriores: (174).

Aunque son muchas las biomoléculas que contienen energía en sus enlaces, es el ATP (adenosín trifosfato) la molécula que interviene en todas las transacciones de energía: es la moneda universal de intercambio energético. Su estructura es: adenina + ribosa + 3 fosfatos. (175) TODO

Al romperse los enlaces fosfato se libera la energía almacenada en ellos (7,3 kcal/mol) y para volver a formarse se requiere el mismo aporte energético. En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP, rompiéndose un solo enlace y quedando un fosfato libre, que se transfiere a otra molécula de ATP en lo que se conoce como fosforilación. El sistema ATP ADP es el sistema universal de intercambio energético en las células.

En cualquier transformación química, solo una parte de la energía implicada en el sistema es útil para producir trabajo; es la llamada energía libre. Otra fracción se pierde en forma de calor, luz, etc, y constituye la entropía. Por otro lado, todas las reacciones necesitan una energía inicial: energía de activación, que en las transformaciones bioquímicas es menor por la acción enzimática.

Las reacciones bioquímicas en las que se desprende energía se llaman exergónicas y aquellas que necesitan de un aporte energético para que se puedan realizar se denominan endergónicas. Ambos tipos de reacciones se realizan acopladas, así, la energía desprendida en las exergónicas es utilizada en las endergónicas, para sintetizar nuevas moléculas o para mantener la temperatura corporal, por ejemplo.

En las reacciones bioquímicas la energía almacenada en unos enlaces se transfiere a otros recién formados en moléculas diferentes; en estas reacciones los electrones pasan de un nivel energético a otro de mayor o menor energía. Con frecuencia, los electrones pasan de un átomo a otro o de una molécula a otra: son reacciones de óxido-reducción.

Una oxidación es la pérdida de algún electrón. Una reducción es la ganancia de algún electrón. También se puede decir que las sustancias se oxidan al ganar oxígeno o al perder hidrógeno, ya que en ambos casos se da una pérdida de electrones. Oxidación y reducción son procesos simultáneos: un compuesto se oxida porque otro se reduce.

Las reacciones redox pueden afectar a un electrón en solitario pero frecuentemente este electrón va asociado a un protón formando un átomo de hidrógeno: en este caso la oxidación implica la pérdida de átomos de H y la reducción la ganancia de átomos de H. Ejemplo:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 686 kcal

La glucosa se oxida, perdiendo átomos de H que son captados por el oxígeno: los e- pasan a un nivel energético más bajo y en la reacción se libera energía. Existe una relación entre el grado de oxidación de un compuesto orgánico y su contenido energético: cuanto más reducido está un compuesto, mayor cantidad de energía contiene y cuanto más oxidado, menos energía contiene.

Entre los procesos metabólicos destacan la fotosíntesis y quimiosíntesis como procesos anabólicos, y respiración y fermentación como procesos catabólicos.

EL CATABOLISMO: RESPIRACIÓN CELULAR

Tanto la respiración celular como las fermentaciones son procesos catabólicos en los que las moléculas orgánicas en forma de grandes polímeros, sintetizadas en último término por los autótrofos, se degradan a moléculas más sencillas, monómeros, con menos energía en sus enlaces. Estas moléculas orgánicas están contenidas en los alimentos en forma de polisacáridos, lípidos complejos y proteínas y durante la primera fase de su degradación, en la digestión, se transforman en monosacáridos (hexosas), ácidos grasos y glicerina y aminoácidos, que pueden ser utilizados ya por las células.

Posteriormente, estos monómeros se transforman, por diferentes mecanismos en dos compuestos de 3 y 2 átomos de carbono: el ácido pirúvico o el acetil CoA. A partir de este punto el proceso es común hasta la degradación total formándose como productos finales CO2 y H2O. (Esquema general).

La primera parte de la respiración celular (glucolisis, ð-oxidación) tiene lugar en el citoplasma sin intervención de O2. La segunda parte se realiza en el interior de las mitocondrias con presencia de O2. La respiración celular comprende los siguientes procesos: glucolisis*, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones.

EL CATABOLISMO

Las moléculas orgánicas complejas se degradan gradualmente en otras nmás sencillas y simultaneamente se libera energía que se almacena en forma de ATP. El catabolismo consiste en reacciones de oxidoreducción en los que intervienen, fundamentalmente, enzimas del tipo de las deshidrogenasas (con NAD o FAD como coenzimas), que recogen los e- de los compuestos que se oxidan.

Estos e- serán cedidos a otros compuestos y dependiendo de que la molécula aceptora final de e- sea orgánica o inorgánica se diferencian dos tipos de catabolismo:

a) Fermentación.- Es una oxidacion incompleta puesto que el aceptor final de e- es un compuesto orgánico. Son procesos anaeróbicos pues no interviene el O2. En la fermentación se sintetiza ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

B) Respiración celular.- La oxidación de los compuestos orgánicos es completa pues el aceptor final es una sustancia inorgánica. La respiración puede ser aerobia, si el aceptor final es el O2 que al reducirse forma H2O, o anaerobia si el aceptor no es el O2. En la respiración el ATP se sintetiza por dos mecanismos: fosforilación a nivel de sustrato y fosforilación oxidativa.

ESQUEMA GENERAL DEL CATABOLISMO

En la descomposición del alimento, los e- que desprenden los compuestos orgánicos (glúcidos, lípidos y proteínas) al oxidarse van pasando a niveles energéticos inferiores por lo que van liberando energía. La descomposición de estos compuestos en principio se realiza por diferentes rutas que confluyen en el ciclo de Krebs donde se culmina la oxidación total formándose CO2.

La energía liberada por los e- pueden producir ATP directamente (f. A nivel de sustrato) o indirectamente (fosforilación oxidativa). En este caso intervienen enzimas ATP sintetasas y la cadena respiratoria.

Las fermentaciones son una vía alternativa en las que se libera menos energía pues la oxidación es incompleta.

CATABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS

En él se diferencian varias etapas:

1- Degradación de los polisacáridos hasta la glucosa.

2- Glucolisis: la glucosa se descompone en 2 moléculas de ácidos pirúvico.

3- Ciclo de Krebs, si hay O2, o fermentación si no lo hay.

4- Cadena respiratoria.

1- DEGRADACIÓN DE LOS POLISACÁRIDOS HASTA LA GLUCOSA.

En los animales, la glucosa se obtiene en la digestión del alimento por hidrólisis de los compuestos que los forman: polisacáridos disacáridos monosacáridos glucosa.

Si el aporte alimenticio de glucosa es insuficiente las células utilizan el glucógeno de los músculos y sobre todo el del hígado (glucógeno hepático) mediante el proceso llamado glucogenolisis.

GLUCOLISIS

Se lleva a cabo en el citosol y no requiere la presencia de O2. En la glucolisis, una molécula de glucosa (6 átomos de C) se oxidará dando dos moléculas de ácido pirúvico (3 átomos de C).

Consiste en 10 reacciones catalizadas cada una de ellas por 10 enzimas específicos. Consta de tres etapas:

Etapa de fosforilación (activación) que requiere aporte energético.- En ella la glucosa se convierte en dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato.

Etapa de oxidación que rinde energía y poder reductor.- El grupo aldehído se oxida a grupo carboxilo. El GAL-3-P se oxida hasta 1,3-difosfoglicerato. Está catalizada por enzimas deshidrogenasas que requieren NAD como coenzima.

Etapa en la que se restituye a la célula el ATP consumido en la primera fase.

En la primera parte se necesita energía, en forma de 2 ATP, para fosforilar la glucosa y la fructosa. Al final de esta fase se obtienen, en la práctica, 2 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato.

En la seguda parte, se forman 4 ATP y 2 NADH. Se produce, por tanto, una ganancia neta de 2 ATP.

La eficacia de la glucolisis como ruta energética es muy baja, puesto que únicamente tiene un rendimiento neto de 2 ATP, es decir, sólo se obtiene un 20% de la energía almacenada en la glucosa, por lo que se piensa que es una ruta muy antigua, puesto que además se puede realizar en una atmósfera anaerobia como era la primitiva; la realizan tanto procariotas como eucariotas.

Las características de las glucolisis son:

• Suministra a la célula 6 precursores metabólicos.

• Tiene lugar en el citosol o hialoplasma.

• Produce 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

• Genera poder reductor en forma de 2 NADH.

• Su eficacia energética es baja.

• No requiere la presencia de O2.

• Es una ruta muy antigua.

REACCIONES PREVIAS AL CICLO DE KREBS.

El producto final de la glucolisis, el ácido pirúvico o piruvato, es una molécula con alto contenido energético, por lo que puede ser oxidada posteriormente para liberar más energía a la célula. El mecanismo por el cual se realiza esta oxidación es el ciclo de Krebs o CAT, un conjunto cíclico de reacciones cuya función principal consiste en la oxidación de grupos acetilo hasta CO2. Se lleva a cabo en la matriz de las mitocondrias.

Para que la molécula de piruvato generada en la glucolisis pueda incorporarse al CAT debe sufrir previamente una descarboxilación oxidativa y convertirse en un resto acetilo (CH3-CO-)

DESCARBOXILACIÓN OXIDATIVA DEL PIRUVATO

El piruvato es conducido desde el citosol hasta el interior de las mitocondrias, uniéndose a transportadores específicos que atraviesan las dos membranas mitocondriales. Una vez en el interior de la mitocondria, se produce la descarboxilación oxidativa que está catalizada por un complejo multienzimático llamado piruvato deshidrogenasa y que consta de dos etapas:

1ª- Descarboxilación: es la pérdida del grupo carboxilo, que se transforma en CO2.

2ª- Oxidación del grupo cetónico a grupo carboxilo. La energía liberada en esta reacción queda “atrapada” en forma de enlace alta energía entre el resto acetilo y la coenzima A, y se origina acetil-CoA.

EL CICLO DE KREBS, DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS O DEL Á. CÍTRICO

Es un conjunto cíclico de reacciones que producen la oxidación completa de los grupos acetilo hasta CO2. El CAT desempeña, además, las siguientes funciones:

• Obtención de poder reductor en forma de NADH y FADH2.

• Obtención de precursores metabólicos.

• Obtención de energía en forma de GTP (convertible en ATP)

La oxidación del grupo acetilo no se realiza directamente, pues este grupo se une al oxalacético, de 4C, que se regenera al completarse el ciclo. Para que se realize esta fusión es necesario energía que es suministrada por la hidrólisis del CoA que estaba unida al resto acetilo. Se obtiene ácido cítrico (o citrato). El citrato se isomeriza en isocítrico que sufre una desacarboxilación oxidativa, o sea, pierde un carbono carboxílico en forma de CO2, produciéndose el ð-cetoglutarato. En este paso se genera una molécula de NADH (poder reductor).

El ð-cetoglutarato se descarboxila y se desprende CO2 y NADH. El resto acilo, de 4C, se une a la CoA para formar succinil-CoA. La energía de la oxidación se conserva en el enlace de alta energía establecido con la CoA.

Esta energía se libera al hidrolizarse el succinil-CoA y se transfiere a un nucleótido, el GTP, mediante una fosforilación a nivel de sustrato. Como productos de esta hidrólisis se obtienen succinato y CoA.

La transformación del succinato en malato está catalizada por una deshidrogenasa con FAD como coenzima. Esta reacción consiste en la formación de un doble enlace entre los carbonos centrales. Los átomos de H son captados por el FAD que se transforma en FADH2. Por último, el málico se oxida al transformarse el grupo alcohólico en un grupo carboxilo (ácido) y genera un NADH regenerándose, de paso el oxalacético.

CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES (CADENA RESPIRATORIA)

La mayor parte de la energía que se obtiene en la respiración celular aerobia se debe a la oxidación del NADH y del FADH2 de las deshidrogenasas*. Los electrones (y protones) captados por el NADH y FADH2 van a ser transferidos al O2 que es el último aceptor. Esta transferencia no se hace directamente, pues la energía que llevan asociados se desprendería de una sola vez y la mayor parte se perdería en forma de calor que dañaría a la célula. Además, el NADH y el FADH2 no pueden atravesar la membrana mitocondrial.

La transferencia de electrones hasta el O2 se hace a través de una serie de transportadores intermediarios situados secuencialmente en las crestas mitocondriales (membrana interna) que en conjunto forman la cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria. Estos transportadores se oxidan y reducen, es decir, captan electrones de una molécula anterior y los ceden a la molécula siguiente. Para que este proceso sea espontáneo, los transportadores están situados según un gradiente de potenciales de oxidoreducción, de manera que al pasar de una molécula de la cadena a la siguiente, los electrones “descienden” a niveles energéticos inferiores.

Los transportadores de e- se encuentran adosados a las crestas mitocondriales formando 4 sistemas multienzimáticos:

• Sistema I: complejo NADH deshidrogenasa.- Este complejo acepta e- del NADH al que oxida hasta NAD y los transfiere a la ubiquinona.

• Sistema II: Ubiquinona o coenzima Q.- Acepta e- del sistema I y se oxida al cederlos al siguiente complejo de la cadena.

• Sistema III: complejo citocromo b-c1.- Este complejo contiene dos citocromos. Acepta los e- cedidos por la ubiquinona y los cede al último complejo de la cadena.

• Sistema IV: complejo citocromo-oxidasa.- Contiene el citocromo a-a3. Transfiere los e- recibidos del complejo b-c1 al oxígeno molecular, que se reduce formando agua. El O2 actúa, por tanto, como último aceptor de e- pues recoge todos los que se han liberado en las diferentes etapas de la oxidación de la glucosa (o de otras moléculas donadoras de e-). El 90% del consumo celular de O2 se debe a esta reducción por la citocromo-oxidasa. El cianuro, el CO, la azida, etc, inhiben el complejo citocromo-oxidasa por lo que impiden la respiración celular. Son venenos muy potentes.

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA. TEORÍA QUIMIOSMÓTICA DE MITCHEL.

En la cadena respiratoria, los e- del NADH y FADH2 “descienden” a favor de un gradiente de potenciales de oxidoreducción a través de los transportadores. Los e-, al “caer” a niveles energéticos más bajos, liberan energía, que será acoplada a la fosforilación del ADP para obtener ATP.

Según la Teoría Quimiosmótica de Mitchel, la energía que los e- van perdiendo al descender por los transportadores se utiliza para bombear protones (H+) hacia el espacio intermembranal de la mitocondria, acumulándose en este espacio, ya que, al ser la membrana interna impermeable a los mismos, no pueden regresar libremente a la matriz.

La acumulación de H+ en el espacio intermembranal origina un potencial eléctrico de membrana, es decir, la membrana interna se carga positivamente en una de sus caras y negativamente en la otra. Se genera un gradiente electroquímico de protones entre la cara interna y la externa.

La vuelta de los H+ a favor de gradiente, desde el espacio intermembranal hacia la matriz se realiza por la acción del complejo enzimático ATP-sintetasa (ATPasa), formado por proteínas transmembranas con canales internos a través de los que pasan los H+. Como este paso es a favor de gradiente, se libera suficiente energía para sintetizar ATP a partir de ADP (fosforilación oxidativa).

Cada molécula de NADH bombea hacia el espacio intermembranal un número de H+ que a su vuelta a la matriz producen 3 moléculas de ATP. El FADH2 bombea un número de H+ menor, porque entra más abajo, y produce solo dos ATP. La ATPasa funciona reversiblemente, bombeando H+ en un sentido o en otro según sean las concentraciones de ATP, ADP y P.

RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN AEROBIA

La oxidación completa de una molécula de glucosa hasta CO2 y H2O puede producir un número variable de ATP. En la glucolisis se obtienen 2 ATP y 2 NADH que originaran en la cadena respiratoria 6 ATP (2x3). En total en la glucolisis: 8 ATP.

La conversión de las dos moléculas de pirúvico a acetil-CoA proporciona otras 2 moléculas de NADH que originarán 6 ATP.

En el ciclo de Krebs se obtienen 2 ATP, 6 NADH y 2 FADH2, que traducido todo a ATP son 2 + 6x3 + 2x2 = 24 ATP.

En total, la degradación de una molécula de glucosa produce un máximo de 38 ATP

PROCESO CITOSOL MATRIZ TE ECO ATP

GLUCOLISIS		2 ATP 2 NADH		6 ATP	2 ATP 6 ATP
RESPIRACIÓN	ÁCIDO PIRÚVICO a ACETIL CoA		2 x (1 NADH)	2 x (3 ATP)	6 ATP
		CICLO DE KREBS		2 x (1 GTP) 2 x (3 NADH) 2 x (1 FADH2)	2 x (9 ATP) 2 x (2 ATP)	2 ATP 18 ATP 4 ATP

38 ATP

LA FERMENTACIÓN (CATABOLISMO ANAEROBIO)

Son procesos catabólicos en los que el aceptor final de electrones es un compuesto orgánico formado, generalmente, en la propia ruta metabólica. Tienen lugar en el citosol y el resultado es una oxidación incompleta del alimento por lo que se obtiene menos energía en la respiración.

Las fermentaciones son procesos anaeróbicos, realizados en ausencia de O2 por microorganismos anaerobios estrictos o facultativos. También las realizan algunas células animales y vegetales cuando no les llega suficiente O2.

El rendimiento energético de las fermentaciones es muy bajo. Así, en la fermentación de la glucosa se obtienen únicamente 2 ATP, frente a los 38 ATP obtenidos en la respiración. Dependiendo de cual sea el producto final de la fermentación (y por tanto, del último aceptor de e-) se diferencian varios tipos: alcohólica, láctica, acética, pútrida, etc.

1- FERMENTACIÓN ALCOHÓLICA

En este caso la glucosa se transforma en 2 moléculas de etanol y 2 de CO2, produciendo 2 ATP. El pirúvico se descarboxila y pasa a acetaldehído que se reduce mediante el NADH generado en la glucolisis, formando etanol:

La fermentación alcohólica la realizan levaduras del género Saccharomyces, ciertas bacterias y en los tejidos de algunas plantas superiores como el maiz. En la industria se utiliza para la obtención de bebidas alcohólicas: Saccharomyces cerevisiae (cerveza, ron, güisqui, pan) y Saccharomyces uvarum (vino)

2- FERMENTACIÓN LÁCTICA

Consiste en la formación de ácido láctico a partir de lactosa. Como en el proceso anterior, sólo se producen 2 ATP pues el NADH de la glucolisis se consume. El proceso es:

La realizan bacterias de los géneros Lactobacillus, Streptococcus y Leuconostoc. Industrialmente se utiliza para la obtención de derivados lácteos como el queso, mantequilla, yogur, etc.

La fermentación láctica también ocurre en ciertas plantas, como las patatas (Solanum tuberosum) y, sobre todo, en células animales, como las fibras del músculo estriado cuando hay escasez de O2:

En condiciones normales el músculo realiza la respiración de la glucosa, pero durante un ejercicio intenso o prolongado puede que no llegue suficiente O2 a las células musculares. En ese caso el pirúvico se acumula pudiendo, incluso, cesar la glucolisis. En estas condiciones, el pirúvico fermenta a láctico que pasa a la sangre, de aquí al hígado donde se transforma en glucosa que puede volver al músculo. La acumulación de láctico produce las “pájaras” y su cristalización las “agujetas”

3- FERMENTACIÓN PÚTRIDA

Existen muchos microorganismos que realizan diferentes fermentaciones, pero un caso especial es la fermentación pútrida o putrefacción. En este caso se parte de sustratos proteicos o con grupos amino (-NH2). La putrefacción la realizan bacterias de los géneros Micrococcus y Bacterium. El Micrococcus ureae extrae energía de la hidrólisis de la urea mediante la fermentación amoniacal:

NH2 - CO - NH2 + H2O ureasa 2NH3 + CO2 + Energía

Algunos de los productos de estas fermentaciones son sustancias de olor desagradable como el indol, cadaverina, escatol o amoníaco, típicas de los cadáveres. De forma controlada, y en proporciones bajas, ciertas putrefacciones proporcionan el sabor y aroma a algunos tipos de quesos y vinos.

LA FOTOSÍNTESIS

INTRODUCCIÓN

Casi todos los organismos dependemos de la fotosíntesis para nuestra supervivencia; tan solo algunas bacterias quimiosintéticas podrían vivir sin la fotosíntesis.

Mediante la fotosíntesis las sustancias inorgánicas, co2, H2O y en algunos casos, nitratos y sulfatos, se combinan para fabricar la materia orgánica propia de los seres vivos. Simultáneamente, la energía lumínica se transforma en energía de enlaces químicos (energía química), capaz de impulsar las actividades propias de los seres vivos.

Los productos de la fotosíntesis pueden ser diferentes moléculas orgánicas, pero se considera a la glucosa como el producto final. En este caso, el proceso global se puede resumir en la ecuación:

6CO2 + 6H2O --------------------- C6H12O6 + 6O2

En la fotosíntesis se reconocen dos etapas: fase luminosa o fotoquímica y fase oscura, de fijación del CO2 o biosintética

CONCEPTOS

De todas las radiaciones luminosas, sólo la comprendida en la luz visible (entre 700 y 400 nanómetros) es la utilizada en la fotosíntesis. Cuando un fotón incide sobre un pigmento fotosintético, desplaza un e- de dicho pigmento hacia un orbital de mayor energía y se dice que el pigmento se “excita”. El pigmento excitado puede volver a su estado original de tres formas:

- Por fluorescencia, liberando la energía en forma de luz y calor.

- Por resonancia, transfiriendo la energía, pero no el e-, a otro pigmento.

- Oxidándose, perdiendo el e- que es captado por otra molécula aceptora y retornando a su estado original al aceptar un e- de una molécula donadora de e-.

Los dos últimos mecanismos son fundamentales en la fotosíntesis.

LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS

Son las moléculas encargadas de captar la energía luminosa y se localizan en las membranas de los tilacoides. Son de tres clases:

- Clorofilas.- Es el más importante. Hay clorofila a, b (en plantas), c y d (en algas). Su molécula es un anillo tetrapirrólico (porfirina) en cuyo interior hay un átomo de Mg que se oxida y reduce. Son de color verde.

- Carotenoides.- Captan radiaciones de diferentes longitudes de onda que las clorofilas. Químicamente son derivado del isopreno y pueden presentar diferentes coloraciones.

- Ficobilinas.- Las poseen las algas. Las más importantes son la ficoeritrina (rodofíceas) y la ficocianina (cianofíceas).

CONCEPTO DE FOTOSISTEMA

La clorofila y los pigmentos accesorios se agrupan en la membrana tilacoidal formando los fotosistemas. Cada fotosistema consta de dos componentes: un complejo antena o colector de luz y un centro de reacción fotoquímico:

a) El complejo antena está formado por unas 300 moléculas de pigmentos (clorofilas y carotenoides). Cuando un fotón es absorbido por una molécula de clorofila o carotenoide, su energía es transferida de una molécula a otra del mismo complejo por un proceso de resonancia hasta llegar, como en un “embudo”, hasta el centro de reacción.

b) El centro de reacción está formado por un par especial de moléculas de clorofila a. La energía lumínica canalizada hacia ese centro provoca la excitación de un e- (pasa a un nivel energético superior) que es cedido a un aceptor de e-, que se reduce, situado en el mismo complejo proteico. De esta forma, la clorofila a pierde un e- y se oxida.

En los tilacoides los pigmentos se agrupan formando dos fotosistemas:

1- El fotosistema I (PSI), llamado tambien P700 porque su centro de reacción absorbe luz hasta un máximo de 700 nanómetros.

2- El fotosistema II (PSII), llamado también P680 porque absorbe radiaciones de 680 nm como máximo.

Además de los dos fotosistemas, en la parte de la membrana del tilacoide dirigida hacia el estroma, existen ATP sintetasas y transportadores de electrones.

FASE LUMINOSA

Tiene lugar en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos. La luz, al incidir sobre los cloroplastos y otros pigmentos, impulsa, por un lado, la formación de ATP y, por otro, la rotura de la molécula de H2O (reacción de Hill) dando ½O2 e hidrógeno (2H+ + 2e-) que se une al NADP formándose NADPH (poder reductor). Según sea el camino que recorren los e- que pierde la clorofila se diferencian dos procesos: flujo no cíclico y flujo cíclico de electrones.

1- FLUJO NO CÍCLICO DE ELECTRONES: ESQUEMA EN Z.

Se denomina así porque los e- perdidos por la clorofila de cada fotosistema no regresan a esas moléculas sino que son reemplazados por otros diferentes. En este mecanismo intervienen los dos fotosistemas acoplados en serie, capturando energía luminosa que provoca un flujo continuo de e-, que pasan del H2O al PSII, de éste al PSI y, finalmente al NADP. Se lleva a cabo de la forma siguiente:

El PSII absorbe 2 fotones que excitan la clorofila a (P680) perdiendo 2 e- que son recogidos por un aceptor primario de e-. Simultáneamente, el H2O se rompe según la reacción de Hill o fotolisis por acción de la luz:

H2O + 2 fotones --------------- 2H+ + 2e- + ½O2

Los electrones perdidos por la clorofila del PSII son restituidos por los que desprende el H2O, con lo que la clorofila vuelve a su estado normal. Los e- del H2O van a la clorofila P680, los protones (H+) se acumulan en el interior de los tilacoides y los átomos de O2 se combinan formando moléculas O2 que se difunden al medio externo.

Entre tanto, los electrones desprendidos de la clorofila del PSII pasan por una cadena transportadora de e- formada por:

- Plastoquinona

- Citocromo b6-f, y,

- Plastocianina.

El citocromo b6-f utiliza parte de la energía desprendida por los e- para bombear protones (H+) al interior del tilacoide.

En el PSI ocurre algo parecido. Así, el PSI al recibir 2 fotones se excita y su clorofila a (P700) pierde 2 e-. Estos electrones los recoge la ferredoxina que a su vez los cede al NADP el cual se reduce formándose NADPH. La clorofila del PSI recupera los e- de los procedentes de la plastocianina.

La intervención simultánea de los dos fotosistemas, cada uno de los cuales capta 2 fotones para generar una molécula de NADPH, supone que “sobre” cierta cantidad de energía, que se utilizará para formar ATP mediante el proceso llamado fotofosforilación, que se explica, igual que en la fosforilación oxidativa, según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell:

Los protones bombeados por el citocromo b6-f hacia el espacio tilacoidal sumados a los procedentes de la fotolisis del H2O se acumulan en dicho espacio creando un gradiente electroquímico. La membrana del tilacoide es impermeable a los protones, pero, igual que en las mitocondrias, los H+ son impulsados a favor de gradiente a través de las ATP sintetasas. En este paso se libera suficiente energía para sintetizar ATP:

ADP + Pi ATP.

De manera global, en el flujo no cíclico, a partir de una molécula de H2O y 4 fotones se forman una molécula de NADPH, una de ATP y ½O2.

2- FLUJO CÍCLICO DE ELECTRONES.

En este flujo sólo interviene el fotosistema I (PSI) y se llama así porque los e- perdidos por la clorofila P700 regresan de nuevo a dicha clorofila. La finalidad de este proceso cíclico es generar más moléculas de ATP debido a que en la fase oscura (fijación del CO2) se van a necesitar 3 ATP por cada 2 de NADPH. Ocurre así:

Igual que en el flujo no cíclico, al incidir los fotones en el PSI, los e- del par activo de clorofilas adquieren la energía necesaria para ser capturados por la ferredoxina. Pero ahora, en lugar de ser recogidos por el NADP de la enzima deshidrogenasa, son desviados a la cadena de transportadores que conecta los fotosistemas II y I, concretamente al complejo b6-f, que bombea H+ al espacio tilacoidal. Los e- vuelven, con menor energía al PSI.

En este proceso no interviene el H2O, ni se forma NADPH ni O2. El único resultado neto es el aumento del número de protones en el interior del espacio tilacoidal, lo que genera un gradiente electroquímico, que, como en el caso anterior, hace posible la fotofosforilación “cíclica” y la consiguiente formación de ATP.

FASE OSCURA O DE FIJACIÓN DEL CO2: SÍNTESIS DE MATERIA ORGÁNICA

Ocurre en el estroma y no es necesaria la luz. El ATP y el NADPH formados en la fase luminosa suministran la energía para impulsar una serie de reacciones en las que, a partir de sustancias inorgánicas, se forman compuestos orgánicos.

En la fase oscura se utiliza la energía del ATP y el poder reductor del NADPH obtenidos en la fase luminosa, para impulsar la síntesis de compuestos orgánicos a partir de sustancias inorgánicas.

El proceso fundamental de la fase oscura es la fijación del carbono a partir del CO2, formándose en primer lugar glúcidos sencillos de los que derivarán el resto de compuestos orgánicos. La fijación del CO2 se realiza mediante el proceso denominado ciclo de Calvin o de los tres carbonos (C3), ya que la mayoría de los intermediarios tienen 3 átomos de carbono.

El ciclo se inicia a partir de un enzima, la ribulosa difosfato carboxilasa o rubisco, que cataliza la incorporación del CO2 atmosférico, o disuelto en el agua, en el caso de las algas y plantas acuáticas. En cada vuelta del ciclo se incorpora el carbono de una molécula de CO2 y como el primer compuesto orgánico que se sintetiza es el gliceraldehído 3-fosfato, que tiene 3 átomos de carbono, serán necesarias tres vueltas (3 ciclos) para sintetizar una molécula de GAL 3-P que será la precursora del resto de la materia orgánica.

En el ciclo de Calvin se diferencian tres etapas:

1ª- Etapa carboxilativa.- Mediante la enzima ribulosa difosfato carboxilasa, una pentosa preexistente en la célula, la ribulosa 1,5-difosfato se combina con el CO2, formándose un compuesto muy inestable de 6 carbonos que se rompe en dos moléculas de 3-fosfoglicérico.

2ª - Etapa reductora.- El 3-fosfoglicérico es fosforilado a partir del ATP, formándose 1,3-difosfoglicérico. Seguidamente, el NADPH lo reduce transformándolo en gliceraldhído 3-fosfato (GAL 3-P).

3ª - Etapa regenerativa.- De cada 6 moléculas de GAL 3-P que se forman, una se considera el rendimiento neto del ciclo. Las otras 5 sufren una serie de transformaciones consecutivas, en las que también se consume ATP, para regenerar la ribulosa 1,5-difosfato, con la que se cierra el ciclo.

Resumiendo, por cada 3 vueltas del ciclo, 3 moléculas de CO2 se combinan al hidrógeno de 6 NADPH, impulsadas por la energía de 9 ATP, obteniéndose como producto neto un primer compuesto orgánico de 3 carbonos: el gliceraldehído 3-fosfato, precursor de la glucosa y del resto de la materia orgánica. Para la síntesis de una molécula de glucosa se necesitarán, por tanto, 6 vueltas, fijando 6 CO2 en 2 moléculas de GAL 3-P, y consumiendo 18 moléculas de ATP y 12 de NADPH.

Para la síntesis de una molécula de glucosa, todo lo anterior se multiplica por 2.

LA FOTORRESPIRACIÓN

El enzima ribulosa difosfato carboxilasa puede funcionar en dos sentidos. En el ciclo de Calvin cataliza la carboxilación de la ribulosa 1,5 difosfato, pero también puede provocar la oxidación de esta molécula. El que actúe como carboxilasa u oxigenasa depende de las concentraciones relativas del CO2 y del O2 en el interior de la célula:

En condiciones normales atmosféricas (0,03% de CO2 y 21% de O2) la relación competitiva entre carboxilación/oxidación va de 3:1 a 4:1. La oxidación de la ribulosa 1,5-difosfato recibe el nombre de fotorrespiración, ya que depende de la luz, pero se parece a la respiración pues consume O2 y se libera CO2. A partir de la ribulosa 1,5-difosfato, se forma ácido fosfoglicólico (y GAL 3-P que sigue el ciclo de Calvin). El fosfoglicólico pasa de los cloroplastos a los peroxisomas donde se transforma en el aminoácido glicocola (CH2NH2-COOH), que pasa a las mitocondrias, donde parte de estas moléculas sufren una descarboxilación oxidativa liberando CO2 y NH3:

El resultado es que únicamente se consume materia orgánica, sin formación de ATP, por lo que parece que se trata de un proceso muy perjudicial para la planta.

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO FOTOSINTÉTICO

Los factores más importantes son, entre otros:

1) Intensidad luminosa.- En general, al aumentar la intensidad lumínica aumenta la actividad fotosintética. Sin embargo, cada especie tiene su rendimiento óptimo en unas determinadas condiciones de iluminación y superados ciertos límites, los pigmentos se deterioran y el rendimiento disminuye. Así, hay especies heliófilas que requieren gran iluminación; otras, las esciófilas prefieren zonas de penumbra. Además de la intensidad, también es importante el tipo de radiación (color) y el tiempo diario de iluminación (hay plantas de día largo y de día corto).

2) Concentración de CO2.- La actividad fotosintética aumenta al incrementarse la concentración de CO2, hasta llegar a un máximo en el que se estabiliza debido a que el enzima rubisco se satura.

3) Concentración de O2.- Al aumentar la concentración de O2 baja el rendimiento fotosintético pues se produce fotorrespiración. El O2 y el CO2 compiten por la rubisco (inhibición competitiva)

4) Temperatura.- Como todo proceso metabólico, el rendimiento aumenta con la temperatura hasta llegar a un máximo a partir del cual las enzimas se desnaturalizan y el proceso se paraliza. Cada especie tiene una temperatura óptima a la cual el rendimiento es máximo.

FOTOSÍNTESIS BACTERIANA O ANOXIGÉNICA

Las plantas, algas y las cianobacterias (algas cianofíceas o verdeazules) realizan la fotosíntesis según se ha descrito hasta ahora, en el que el primer dador de e- es el H2O, de la que se libera O2, por lo que se denomina fotosíntesis oxigénica.

Existe, además, un grupo de bacterias que realizan una fotosíntesis especial llamada anoxigénica o bacteriana, en la que el dador primario de e- no es el agua, por lo que no se desprende O2.

Estas bacterias poseen solo un fotosistema localizado en los cromatóforos de la membrana plasmática. En esta membrana se encuentran los pigmentos fotosintéticos y los transportadores de e-. Los pigmentos son, fundamentalmente, bacterioclorofilas diferentes de la clorofila de eucariotas.

Exiten dos tipos de bacterias fotosintéticas, las sulfobacterias y las bacterias no sulfúreas:

a) Las sulfobacterias o bacterias fotosintéticas del azufre utilizan como dador de e- el sulfuro de hidrógeno (H2S). La fase luminosa es no cíclica. La luz incide sobre la bacterioclorofila, los electrones son capturados por una serie de aceptores que se los ceden a la ferredoxina y de ésta pasan a la NADP-deshidrogenasa, formándose NADPH:

b) Las bacterias no sulfúreas utilizan como dador de e- compuestos orgánicos como alcoholes, ácidos grasos, etc., por lo que en realidad son heterótrofas o mejor, fotoheterótrofas, y la fotosíntesis representa un medio para obtener ATP a partir de la energía lumínica. La fase luminosa en éstas es cíclica. La luz excita a la bacterioclorofila y los e- pasan a un transportador químico, la plastoquinona, que los cede al citocromo b-c, al citocromo c2, y de regreso a la bacterioclorofila. La energía de este transporte es aprovechada por el cit b-c para bombear protones (H+) hacia el exterior, generando un gradiente electroquímico que hace posible, a través de una ATP-sintetasa, la síntesis de ATP

LA QUIMIOSÍNTESIS

Es un proceso anabólico realizado únicamente por algunas bacterias autótrofas. Consiste en la obtención de energía (ATP) a partir de la oxidación de diversas sustancias inorgánicas y el posterior uso de esa energía para transformar sustancias inorgánicas en compuestos orgánicos. Así, en la quimiosíntesis se diferencian dos fases:

1ª) La oxidación de sustancias inorgánicas como NH3, NO2-,H2, H2S, S, Fe2+, etc., genera un gradiente de H+ entre el citoplasma y el espacio periplasmático, capaz de impulsar la ATP sintetasa, formándose ATP por fosforilación oxidativa. Parte de ese ATP hará posible un flujo inverso de electrones gracias al que se obtiene NADH.

2ª) La segunda fase es muy semejante a la fase oscura de la fotosíntesis. La fijación del CO2 ocurre generalmente a través del ciclo de Calvin.

CLASES DE BACTERIAS FOTOSINTÉTICAS

Dependiendo del sustrato inorgánico que oxidan en la primera fase, se clasifican en:

A- Bacterias nitrificantes o del nitrógeno.- Son muy comunes en el suelo e imprescindibles para el desarrollo del ciclo del N2. Hay dos grupos:

- Bacterias que transforman el NH3 en nitritos, por ejemplo Nitrosomonas:

2NH3 + 3O2 ------------ 2NO2- + 2H+ 2H2O + energía

- Bacterias que transforman los nitritos en nitratos. Por ejemplo Nitrobacter:

2NO2- + ½O2 ------------- 2NO3- + energía

Ambos grupos trabajan ecológicamente unidos, uno a continuación del otro, y hacen posible la nitrificación del amoníaco (NH3) que resulta tóxico.

B- Bacterias incoloras del azufre.- Viven en las aguas residuales de las poblaciones, en emanaciones hidrotermales y en otros ambientes con H2S (sulfhídrico) y otros derivados del azufre, oxidando estos sustratos para obtener energía (no confundir con las sulfobacterias verdes o purpúreas que utilizan H2S, pero son fotosintéticas).

H2S + ½O2 ------------- S + H2O + ENERGÍA

2S + 2H2O + 3O2 ----- 2SO42- + 4H+ ENERGÍA

C- Bacterias del hierro.- Viven en aguas ricas en sales ferrosas que oxidan a férricas. Por ejemplo Ferrobacillus:

4Fe2+ + 4H+ + O2 ------ 4Fe3+ + 2H2O + energía

D- Bacterias del hidrógeno y del metano.- Utilizan estos sustratos como fuente reductora:

H2 + ½O2 --------- H20 + ENERGÍA

CH4 + 2O2 ------- CO2 + 2H2O + ENERGÍA

Las bacterias del metano, junto con algunas bacterias del azufre, abundan en los fondos marinos, donde se producen emanaciones volcánicas, constituyendo la base alimenticia de unos ecosistemas muy peculiares, situados a mas de 2000 m de profundidad.

CICLO Y DIVISIÓN CELULAR

Las células se reproducen mediante un ciclo de división en el que primero se duplica su contenido y luego se dividen en dos células hijas genéticamente idénticas. En la reproducción celular es necesario que el ADN de la célula madre se replique exactamente y que los cromosomas replicados se segreguen entre las dos células hijas

En los unicelulares, como las bacterias y los protozoos, la división de la célula supone la creación de nuevos individuos. En los pluricelulares la división es imprescindible para el crecimiento del organismo y la regeneración de células envejecidas o deterioradas.

En las células eucariotas, el ciclo celular se divide en una serie de etapas por las que cronológicamente va pasando la célula, hasta producirse la división. Básicamente se distinguen dos fases: la fase mitótica, fase M o de división celular y la interfase.

La fase mitótica consta de división nuclear o mitosis y de citocinesis o de segmentación del citoplasma.

La interfase es un proceso mucho más largo, generalmente, que la mitosis. En los casos más típicos, durante la interfase se diferencian tres etapas: G1. S y G2:

Fase G1 o postmitótica.- Sigue a la división de la célula y tiene una duración muy variable. En mamíferos, algunas de su células entran en un estado de reposo especial dentro de G1, llamado G0, en el que pueden permanecer días, semanas o años antes de volver a proliferar. Incluso, algunas células muy diferenciadas como las neuronas y las fibras musculares esqueléticas, permanecen en G0 indefinidamente. En otros casos, células embrionarias, prácticamente no existe.

Fase S.- En esta fase se autorreplica el ADN de forma que cada cromosoma se duplica formando dos fibras idénticas llamadas cromátidas, que se mantienen unidas por el centrómero. Simultáneamente se sintetizan las histonas asociadas al ADN en eucariotas.

Fase G2 o premitótica.- Se trata de un lapso de seguridad, que permite a la célula confirmar que se ha completado la replicación del ADN, antes de iniciar la mitosis. Al final de esta fase las fibras de los cromosomas comienzan a enrollarse y condensarse.

EL CONTROL DEL CICLO CELULAR

El sistema de control del ciclo celular funciona paso a paso superando etapas. En la célula existe un dispositivo bioquímico que actúa como un controlador central, desencadenando una secuencia de etapas específicas que duplican y dividen el contenido de la célula.

La base del sistema de control está formada por dos clases de proteínas:

• Proteínas quinasas dependientes de la ciclina (Cdk), y,

• Proteínas ciclinas, que son activadoras.

Las quinasas y ciclinas actúan en unos puntos de control, situados en determinados momentos del ciclo, dependiendo de ciertas señales activadoras o inhibidoras. Los puntos de control más importantes son dos:

• Al final de G1, justo antes de entrar en S.

• EL otro en G2, al comenzar la mitosis.

Si la célula no recibe externas o internas inhibidoras, al final de G1 la proteína Cdk se ensambla con la ciclina G1 formando una quinasa de inicio que pone en marcha la replicación del ADN. Posteriormente, si siguen sin recibirse señales inhibidoras, una ciclina mitótica se acopla a la Cdk formando el factor promotor de la fase M (MPF) que desencadena los procesos que impulsan la célula hacia la mitosis.

El sistema de control del ciclo celular actúa en respuesta a ciertas señales internas (replicación correcta del ADN, tamaño de la célula, posición correcta de los cromosomas, etc.) y externas (temperatura, disponibilidad de alimento, etc.,) en pluricelulares, las células necesitan además recibir señales positivas específicas procedentes de otras células. Estas señales son, básicamente, factores de crecimiento de naturaleza proteica que se unen a receptores complementarios de la membrana plasmática de la célula diana estimulando su proliferación.

(Estudios en células cancerosas han revelado que el ciclo celular depende de un equilibrio entre los genes de proliferación y los genes de antiproliferación. Si un gen de proliferación sufre una mutación que lo convierte en hiperactivo, llamado oncogén, puede desencadenar una multiplicación celular excesiva y descontrolada típica del cáncer. Inversamente, si un gen de la antiproliferación sufre una mutación que lo inactiva, la célula queda liberada de las restricciones normales y también se convierte en cancerosa)145

LA DIVISIÓN CELULAR: MITOSIS Y CITOCINESIS

La fase mitótica o de división celular es un proceso relativamente breve con el que culmina el ciclo celular, segregando entre las dos células hijas los contenidos de la célula madre que previamente se han duplicado. La célula madre origina dos células hijas genéticamente idénticas: 2n 2n + 2n.

En la fase mitótica se diferencian la mitosis y la citocinesis. Ambos procesos se solapan, de modo que la citocinesis empieza antes de que termine la mitosis.

MITOSIS

Aunque es un proceso continuo, para su estudio se divide en 4 fases: profase, metafase, anafase y telofase.

1- PROFASE.

La cromatina se va condensando hasta formar cromosomas bien definidos. Cada cromosoma estará formado por dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero o constricción 1ª.

El centrosoma, que previamente ha duplicado los centriolos, se separa en dos. Cada centrosoma hijo se dirige hacia un polo de la célula formándose entre ellos el huso mitótico o acromático constituido por microtúbulos.

En profase tardía o prometafase la membrana nuclear se desintegra, los nucleolos se desorganizan y en cada centrómero maduran los cinetocoros a los que se unirán algunos microtúbulos del huso.

2- METAFASE.

Se diferencian claramente tres tipos de microtúbulos:

- Microtúbulos astrales.- Parten en todas direcciones desde los centrosomas.

- Microtúbulos polares.- Se solapan en el plano ecuatorial empujando y separando los dos polos.

- Microtúbulos cinetocóricos.- Se adhieren a los cinetocoros de cada cromosoma, conduciendo su movimiento a lo largo de la mitosis.

Los microtúbulos cinetocóricos conducen a todos los cromosomas hacia el plano ecuatorial de la célula, alineándolos en la placa metafásica.

3- ANAFASE.

A partir de una señal específica se produce la separación simultánea de los centrómeros en todos los pares de cromátidas, y cada juego de cromosomas, formados a partir de aquí por una sola cromátida, es arrastrado por la fibras del huso hacia un polo celular. Al final de la anafase, dos conjuntos idénticos de cromosomas se agrupan hacia los polos opuestos del huso.

4- TELOFASE

Es como una profase inversa. Los microtúbulos cinetocóricos desaparecen y los microtúbulos polares se alargan separando más los polos. Los dos conjuntos de cromosomas de los dos polos se descondensan. Los nucleolos empiezan a reorganizarse y se forma la membrana nuclear a partir de vesículas dispersas, formando dos núcleos hijos.

CITOCINESIS

Los orgánulos se reparten de forma equitativa hacia los dos polos de la célula. Algunos, como las mitocondrias y cloroplastos, sólo se pueden formar a partir de otros preexistentes, por lo que es fundamental que cada célula hija herede al menos uno.

En células animales el citoplasma se divide mediante un estrangulamiento. En el caso más típico se forma un surco de segmentación en el ecuador de la célula madre. En el interior del surco se forma un anillo contráctil de filamentos de actina y miosina, que van estrechando el surco y terminan por estrangular a la célula madre.

En células vegetales la pared celular impide la formación del surco de estrangulamiento. En este caso, una serie de vesículas derivadas del Complejo de Golgi, que transportan precursores de la pared celular, se van acumulando en el ecuador de la célula. Esas vesículas se van fusionando hasta formar una placa celular temprana que se extiende hasta completar una nueva pared celular, mediante un proceso de fragmentación que separa las dos células hijas.

MEIOSIS

En los organismos la reproducción puede ser asexual o sexual. Para la reproducción asexual, basta con sucesivas mitosis que permiten el crecimiento del organismo pluricelular, y la posterior separación y desarrollo de una parte del mismo formando nuevos descendientes genéticamente idénticos al progenitor (clones).

En la reproducción sexual, por el contrario, se produce la fecundación, fusionándose dos células reproductoras o gametos, con la consiguiente suma de la dotación cromosómica de cada una de ellas. Para evitar que el número de cromosomas se duplique en cada generación es necesaria la meiosis, ya que en ella el número de cromosomas se reduce a la mitad.

En la meiosis, a partir de una célula diploide (2n) con dos cromosomas homólogos de cada tipo, se forman 4 células haploides (n), con un sólo cromosoma de cada clase. El momento en el que tiene lugar la meiosis depende del tipo de ciclo biológico propio de cada especie (se dio en 1º):

- Ciclo diplonte.- Se da en animales. La meiosis ocurre justo antes de la fecundación.

- Ciclo haplonte.- Se da en algunos protoctistas. Ocurre después de la fecundación, a partir del zigoto, que será la única célula diploide.

- Ciclo diplohaplonte.- Se da en plantas. Existe un estado intermedio entre la formación del zigoto y la siguiente fecundación por lo que se distingue el esporofito (2n) y el gametofito (n). Evolutivamente hay una tendencia a la reducción del gametofito (en angiospermas queda reducido al grano de polen y al saco embrionario).

Básicamente la meiosis consiste en dos divisiones nucleares sucesivas denominadas meiosis I o primera división meiótica y meiosis II o segunda división meiótica. Cada una de ellas, por analogía con la mitosis, se subdivide en profase, metafase, anafase y telofase. Los procesos que ocurren en cada fase son similares a los de la mitosis, pero los acontecimientos fundamentales son los que afectan a los cromosomas.

MEIOSIS I

En ella los cromosomas homólogos se aparean, intercambian fragmentos de cromátidas no hermanas y luego se separan.

Durante la interfase, antes de que comience la meiosis I, el ADN se ha replicado de modo que cada cromosoma estará formado por 2 cromátidas hermanas, genéticamente idénticas.

1- PROFASE I

Es la más compleja de la meiosis. Se divide en 5 subfases: leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis:

A) Leptoteno.- Los cromosomas se condensan. Cada uno estará formado por dos cromátidas muy unidas.

B) Zigoteno.- Los cromosomas homólogos se aparean mediante un proceso llamado sinapsis que origina un par cromosómico llamado bivalente.

C) Paquiteno.- Los cromosomas homólogos, estrechamente unidos y alineados, sufren un proceso fundamental: el entrecruzamiento cromosómico. Este proceso supone la rotura al mismo nivel del ADN de dos cromátidas homólogas pero no hermanas (una materna y otra paterna), seguida del intercambio de los dos fragmentos de cromátidas. Como consecuencia del entrecruzamiento se produce la recombinación genética del ADN.

D) Diploteno.- Los cromosomas homólogos se van separando pero permanecen conectados por unos puntos llamados quiasmas.

E) Diacinesis.- Es un estado de transición en el que los cromosomas se vuelven a condensar y en el que se observan claramente que cada bivalente está formado por 4 cromátidas, por lo que ahora reciben el nombre de tétradas. Las cromátidas hermanas permanecen unidas por sus centrómeros y las no hermanas en los quiasmas. La membrana nuclear se desintegra y los microtúbulos del huso se unen a los cinetocoros.

2- METAFASE I.

Los cromosomas se alinean en el ecuador de la célula formando la placa metafásica o ecuatorial.

3- ANAFASE I

Se produce la separación de los quiasmas y los cromosomas homólogos de cada tétrada se separan hacia un polo de la célula.

4- TELOFASE I

Se forman las membranas nucleares alrededor de los dos núcleos hijos, y, generalmente, los cromosomas se descondensan un poco.

En la mayoría de los casos tiene lugar también la citocinesis formándose dos células hijas con un numero n de cromosomas, formado cada uno por dos cromátidas. Antes de iniciar la meiosis II puede haber una interfase muy breve, pero no hay replicación del ADN.

MEIOSIS II

1- PROFASE II.- Es muy breve. Los cromosomas se condensan de nuevo y las membranas nucleares se rompen, formándose nuevos husos mitóticos.

2- METAFASE II.- Los cromosomas se alinean en las placas metafásicas de cada célula.

3- ANAFASE II.- Se separan las cromátidas hacia cada polo de la célula como en la mitosis.

4- TELOFASE.- Se forman las membranas nucleares alrededor de los cuatro núcleos y los cromosomas se van descondensando.

Al final de la meiosis se formarán 4 células haploides (n), que formarán los gametos, cada una de ellas con un solo juego de cromosomas formados por una sola cromátida.

En la meiosis no solo se pasa de una célula diploide a células haploides. Además se produce una redistribución genética debida a:

• La distribución aleatoria de los homólogos paterno y materno, según queden hacia un polo u otro de la placa metafásica de la meiosis I, y,

• Al entrecruzamiento cromosómico de la profase I, que puede originar cromátidas híbridas y como consecuencia de esto, una recombinación genética que aumenta la variabilidad morfológica de las especies.

GENÉTICA MOLECULAR

Hoy se sabe que la molécula que contiene la información de las caracte­rísticas biológicas de los seres vivos es el ADN. Sin embargo, la demostración de que este ácido nucleico constituía el material hereditario sólo fue posible gracias a la labor de investigación de muchos científicos durante la primera mitad del siglo XX.

Antes de que se identificara la molécula portadora del mensaje genético, ya se sabía que ésta debía cumplir ciertos requisitos:

1- Tenía que ser químicamente estable para que la información contenida en la molécula no sufriera alteraciones.

2- Debía ser capaz de replicarse y originar copias de sí misma que pasaran a las células hijas durante la división celular, asegurando de esta manera la pervivencia de la información biológica.

3- Era necesario, además, que esa información pudiera transmitirse de una generación a otra para permitir que las características biológicas pasaran a la descendencia.

4- Aunque fuera químicamente estable, la molécula debía ser susceptible de sufrir cambios que posibilitaran la aparición de cierta varia­bilidad a fin de poder explicar la evolución de los seres vivos.

Aunque el ADN ya se conocía desde su descubrimiento en 1869 por el científico suizo Friedrich Miescher, se consideraba que eran las proteínas, y no el ADN, las portadora de la información genética.

No obstante, el descubrimiento de que los cromosomas se dividían y transmitían durante la división celular en las células eucariotas, permitió comprobar que ambos componentes cromosómicos (ADN y proteínas) cumplían los requisiros citados.

Ya en 1925, en el curso de sus experimentos con la bacteria Streptococcus pneumoniae, agente causal de h neumonía, Frederick Criffith demostró que la capacidad biológica de producir una cápsula (hecho que determina la viru­lencia de las bacteria) podía ser adquirida de otra cepa por medio de una sustancia, aún no identificada, a la que se denominó factor transformante.

En 1944, Osivald T. Avery, Maclyn McCarty y Colin MacLeod observaron que la capacidad transfrmante de las cepas virulentas de Streptococcus pneumoniae desaparecía cuando se agregaban enzimas que destruían el ADN. Dedujeron de este hecho que el factor transformante era la molécula de ADN.

Existían, además, otros indicios que apoyaban esta idea. Por una parte, se había comprobado que la cantidad de ADN era la misma para todas las células somáticas de los individuos de una determinada especie, mientras que los gametos sólo tenían la mitad. Así mismo, los estudios de Erwin Chargaff sobre las similitudes en las proporciones de bases nitrogenadas presentes en el ADN de los individuos de la misma especie parecían confirmar la relación existente entre esta molécula y la información genética.

La prueba definitiva fue obtenida en 1952 por Alfred Hershey y Martha Chase, quienes demostraron de forma concluyente que el ADN, y no una proteína, era el material genético del bacteriófago T2. Al año siguiente, James Watson y Francis Crick elaboraron su modelo de doble hélice para explicar la estructura de la molécula del ADN.

EL MATERIAL GENÉTICO EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

La secuencia de bases nitrogenadas del ADN constituye la información codificada que las células emplean para sintetizar sus proteínas. Sin embargo, la organización de esa secuencia es diferente en las células procariotas y en las eucariotas.

En las células procariotas prácticamente todo el ADN se emplea como información para la síntesis de proteínas y el gen codificador de cada proteína se compone de una secuencia continua de nucleótidos. Por el contrario, en las células eucariotas parece existir un exceso de ADN, ya que solamente un 10% (o menos incluso) de esta molécula se emplea para codificar proteínas. El resto tiene funciones poco conocidas.

Por otra parte, casi la mitad del ADN en eucariotas es altamente repe­titivo, lo que significa que existen secuencias de nucleótidos repetidas cientos o miles de veces. Por ejemplo la secuencia ACAAACT del genoma de Drosophila virilis, que se repite 12 millones de veces. El ADN altamente repetitivo no lleva información para la síntesis proteica y quizá desempeña un papel importante en la estabilidad de la estructura de los cromosomas.

Otra característica distintiva del material genético de las células eucariotas es que las secuencias nucleotídicas que codifican para proteínas no suelen ser continuas, sino que existen secuencias no codificadoras intercaladas. Los fragmentos de ADN codificadores se denominan exones, mientras que los que no llevan información para la síntesis proteica se llaman intrones.

Cuanto más compleja y más reciente es una especie, más abundantes y más largos son los intrones de su genoma. Parece, por tanto, que los intrones constituyen una ventaja evolutiva, ya que estos fragmentos favorecen la recombinación meiótica al aumentar la distancia entre los exones. Como éstos codifican distintas zonas de la misma proteína podrían obtenerse ligeras variantes, que contendrían algunos segmentos diferentes de la cadena polipeptídica. De esta forma se aumentaría la variabilidad genética fundamental para que tengan lugar los procesos evolutivos.

Replicación del ADN

El ADN portador de la información genética debe transmitirse fielmente a cada una de las células hijas obtenidas tras la división celular. Por tanto, antes de producirse ésta, es imprescindible que el ADN pueda formar réplicas exactas de sí mismo para disponer de dos copias iguales. Este proceso, conocido como replicación o autoduplicación, resulta fundamental para asegurar que todas las células de un organismo pluricelular mantienen la misma identidad.

Cuando Watson y Crick elaboraron su modelo de doble hélice en 1953, indicaron también cuál podría ser el mecanismo para llevar a cabo la replica­ción del ADN: separación de las dos cadenas y síntesis de la cadena comple­mentaria de cada una de ellas. Sin embargo, otros investigadores plantearon distintas hipótesis que dieron lugar a tres posibles formas de replicación:

- Conservativa. La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra completamente nueva.

- Semiconservativa. Es la propuesta por Watson y Crick. Una de las hebras de cada doble hélice procede de la original, mientras que la otra se sintetiza nuevamente.

- Dispersiva. En cada doble hélice existen fragmentos de la original y fragmentos nuevos.

Poco después, Meselson y Stahl demostraron experi­mentalmente que la hipótesis correcta era la semiconservativa.

Herbett Taylor confirmó, así mismo, esta hipótesis en células eucariotas y en 1963 J. Cairns visualizó el proceso en Escherichia coli con técnicas autorra­diográficas.

replicación DEL ADN

Es un proceso que ocurre una sola vez en cada generación celular, durante la fase S del ciclo celular.

El principio de la replicación según el cual cada cadena de la doble hélice de ADN sirve como molde para la formación de una nueva cadena, es relativa­mente simple; sin embargo, el proceso real es considerablemente complejo Para su estudio se pueden diferenciar las siguientes etapas:

1. La iniciación siempre comienza con una secuencia específica de nucleótidos conocida como origen de la replicación; requiere enzimas llama­das helicasas, las cuales rompen los enlaces de hidrógeno que mantie­nen unidas las bases complementarias, abriendo así la doble hélice.

2. Las separaciones de las cadenas, provoca superenrollamientos en las zonas vecinas, por lo que existen otras enzimas, las topoisomerasas o girasas que rebajan la tensión.

3. Una vez separadas las dos cadenas unas proteínas de unión a cadena simple (proteínas ssb) se unen a las hebras individuales, manteniéndo­las separadas y evitando que se retuerzan.

4. Ahora bien, para que se forme una nueva cadena no es suficiente que esté presente la cadena vieja que sir­ve de molde, sino que debe estar presente el inicio de la nueva cadena, este incio lo proporciona un frag­mento de ARN llamado cebador (sintetizado por una ARN primasa, acoplado mediante una ARN­ polimerasa y retirado por una ADN polimerasa), los cuales son reconocidos por las ADN polimerasas que se ponen a sintetizar la nueva cadena de ADN.

5. La síntesis real de las nuevas cadenas es catalizada por un grupo de enzimas conocidas como ADN polimerasas (en procariotas son 3 y en eucariotas 5) que van añadiendo los nucleótidos uno a uno. La zona donde ocurre la replicación se denomina burbuja de replicación, estos segmentos de ADN en repli­cación se denominan replicones (en procariotas se forma sólo uno mientras en eucariotas se constitu­yen entre 500 en levaduras y 60 000 en los mamí­feros). En los extremos de la burbuja las cadenas for­man una estructura en “Y" conocida como horqui­lla de replicación.

6. El proceso de replicación es bidireccional y siempre en el sentido de la cadena de nucleótidos 5'-3', pues las polimerasas sólo colocan y unen nucleótidos en ese sentido.

Como la replicación sólo ocurre en un sentido y las dos cadenas del ADN son antiparalelas, se planteaba un problema sobre cómo se efectuaría la replicación en los dos brazos de la horquilla. La solución la halló Reiji Okazaki, al encontrar que una cadena, la 5'-3' se sintetiza continuamen­te como una sola unidad, es la cadena adelantada o conductora, mientras que la otra cadena, la 3'-5', se forma de manera discontínua, como una serie de fragmentos de Okazaki, sintetizados cada uno en el sentido 5'-3', que después terminan uniéndose formando la llamada cadena retrasada o retardada.

7. Por último, hay otra enzima, la ADN ligasa que conecta los fragmentos de ADN recién formados con la cadena en crecimiento de ADN.

LA EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO

Una vez establecida la estructura y el mecanismo de replicación del ADN se aceptó universalmente que éste era el depositario de la información genética. Pero inmediatamente surgió la pregunta: ¿Cómo una molécula de ADN puede dirigir la construcción de un organismo como una bacteria, una mosca o un alumno de 2º de Bachillerato? La historia comienza en 1908 y aún no ha terminado, pero actualmente se acepta lo que Crick denominó dogma central de la Biología: un solo gen codifica una sola enzima. Posteriormente se ha matizado señalando que un gen codifica una proteína (pues no todas las proteínas son enzimas) y esto se ha corregido de forma más precisa con la expresión un gen-un polipéptido, pues muchas proteínas están formadas por varios polipéptidos.

TRANSCRIPCIÓN

El problema sobre cómo la secuencia de bases de un gen del ADN determina una secuencia de aminoácidos en una proteína llevó a pensar desde el principio que el ARN intervenía en este proceso pues se sabía que:

• El ARN se encuentra en el citoplasma fundamentalmente, que es donde se realiza la síntesis de proteínas.

• Las células de los embriones contienen altos niveles de ARN.

• Las células que fabrican grandes cantidades de proteínas contienen numerosos ribosomas.

• Un virus bacteriófago con ADN cuando infecta una bacteria provoca la síntesis de ARN antes de la formación de proteínas virales.

• Algunos virus, como el TMV (mosaico del tabaco), no tienen ADN sino ARN, que introducido de forma aislada en células promueve la formación de nuevos virus.

Basado en estos indicios, F. Crick enunció el “dogma central de la Biología”, según el cual el ADN traslada parte de su información a una molécula de ARN, que a su vez dirige la formación de una proteína.

De los tres tipos de ARN existentes, es el ARN mensajero (ARNm) el que lleva el mensaje desde el ADN hasta los ribosomas del núcleo. El ARNm es una copia de una secuencia de ADN con una sola cadena de nucleótidos que se sintetiza según el principio de complementariedad de bases entre ADN y ARN: C-G, G-C, A-U y T-A.

La transcripción o síntesis de ARNm es similar a la replicación del ADN. La síntesis tiene lugar en sentido 5´- 3´, por lo tanto los ribonucleótidos se van añadiendo uno a uno en el extremo 3de la cadena en crecimiento. Este proceso está catalizado por la enzima ARN polimerasa II.

En las células eucariotas la transcripción es casi igual a la de procariotas. Comienza con la unión del enzima ARN polimerasa II a una secuencia de nucleótidos del ADN llamada promotor. Los promotores en eucariotas son de dos clases:

• la secuencia TATA, y,

• la secuencia CAAT.

La cadena de ADN que se transcribe sirve de molde para la síntesis del ARNm.

Durante y después de la transcripción, los ARNm deben sufrir algunos cambios para ser funcionales. Cuando el ARNm tiene unos 25 nucleótidos se pega al extremo 5´ un nucleótido raro, la 7-metilguanosina, a modo de “caperuza”, el cual es necesario para su unión al ribosoma.

Una vez terminada la transcripción y que la molécula de ARNm se ha desprendido del molde de ADN, unos enzimas especiales adicionan un fragmento de unos 200 nucleótidos de adenina llamado cola poli-A.

Por último, antes de que abandone el núcleo tiene lugar el proceso de maduración, que es promovido por un complejo de proteínas y ARN llamado espliceosoma, mediante el cual se eliminan los intrones y se empalman los exones.

TRADUCCIÓN

Cuando se descubrió el ARNm, faltaba conocer cómo la información transcrita en dicha molécula pasaba a configurar proteínas, determinantes de la estructura y funcionamiento celular y corporal, es decir, como la información de una secuencia de bases nitrogenadas se traduce en una secuencia de aminoácidos.

Como se conocen 20 aminoácidos diferentes formadores de proteínas se dedujo que tenían que ser tres nucleótidos los que codificaran un aminoáci­do puesto que así existirían 64 tripletes (tríos de nucleótidos), más que sufi­cientes para traducir la información del ARN a las proteínas.

El código genético

El código genético viene a ser como un diccionario que trata de establecer una equivalencia entre el lenguaje del ARNm, escrito con cuatro bases nitrogena­das o nucleótidos, y el lenguaje de las proteínas, escrito con veinte aminoá­cidos distintos. La equivalencia se establece entre tres nucleótidos o triplete del ARNm, al que se denomina codon, y un único aminoácido. El triplete complementario en el ADN, y del cual deriva el codon, se llama codógeno. Existe además otro triplete, complementario del codon pero en una zona específica del ARNt, que recibe el nombre de anticodon, el cual se une al codon mediante puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

Se sabe que de los 64 tripletes, 61 codifican ami­noácidos y 3 de ellos no tienen sentido para codificar aminoácidos, siendo tri­pletes de terminación de mensaje. Al haber muchos más tripletes que ami­noácidos se ha dicho que el código genético esta degenerado, pero la realidad es que supone una ventaja, puesto que un cambio de un nucleótido, en muchas ocasiones, puede no alterar el orden de los aminoácidos en una proteína.

Después de estudiar muchos organismos se ha concluido que este código es universal, es decir, el mismo código es empleado por todas las células de todos los organismos vivos e incluso virus. Sólo se han encontrado hasta la fecha algunas pequeñas excepciones con algunos tripletes en mitocondrias, así como en protozoos ciliados y en la bacteria Mycoplasma.

Síntesis de proteínas o traducción

Los principios básicos de la síntesis de proteínas son los mismos tanto en célu­las procariotas como en eucariotas, con algunas diferencias de detalle. El mecanismo que se describe corresponde a lo que acontece en procariotas, en los cuales ha sido mejor estudiado:

Se suelen diferenciar en dicho proceso una serie de etapas o fases:

a) Fase de activación del ARNt

Las moléculas de ARNt son, en realidad, la herramienta que aplica el códi­go genético (sería el traductor de un mensaje del caste­llano al chino usando un diccionario de castellano-chino).

Cada molécula de ARNt (con forma de hoja de trébol), tiene dos sitios de unión. Uno denomi­nado anticodon, consistente en un triplete de nucleótidos ubicado en una de las asas, el cual es complementario de un codon del ARNm con el que se acopla; el otro, es el extremo 3' de la molécula que siempre termina en el triplete 5´-CCA-3´, al cual se une el aminoácido que corresponda, según el anticodón y siguiendo las normas del código genético.

La reacción enzimática que une un aminoácido a su ARNt específico es catalizada por la enzima aminoacil-ARNt-sintetasa. Para poderse llevar a efecto se requiere un gasto energético que suministra una molécula de ATP que se rompe en dos grupos fosfato y AMP

b) Fase de iniciación de la SÍNTESIS

La síntesis de proteínas comienza cuando la subunidad más pequeña del ribosoma se une a una molécula de ARNm cerca de su extremo 5', expo­niendo su primer codon, que es el AUG (señal de iniciación). A conti­nuación, el primer ARNt-aminoacil se acopla con el codon iniciador según la complementariedad codon-anticodon, por lo que el anticodon del ARNt sera el UAC, y dicho ARNt llevará en su extremo 3' el aminoácido metio­nina (Met) según el código genético, el cual se presenta como N-formil­metionina (fMet) y será el primer aminoácido de la cadena polipeptídica que se forme.

El conjunto formado por la subunidad pequeña del ribosona, el ARNm y el ARNt se llama complejo de iniciación. Una vez formado, se une a él la subunidad mayor del ribosoma, quedando el ARNt inicial en el llamado sitio P o peptidil.

c) Fase de elongación o alargamiento

Esta fase se inicia cuando el segundo codon del ARNm se coloca en el sitio A o aminoacil del ribosoma, y se une a él el segundo ARNt con su ami­noácido específico. Cuando tanto el sitio A como el P están ocupados, una enzima llamada peptidil transferasa crea un enlace peptídico entre los dos aminoácidos, acoplando el primer aminoácido (fMet) al segundo. Con ello, el primer ARNt se líbera del ARNm. Ahora, el ribosoma realiza una translocación o cambio de lugar (en sentido 5'-3'), es decir, se ha de desplazar hasta el siguiente codon de la cadena del ARNm, con lo que el dipéptido formado pasa del sitio A al P, dejando libre el sitio A para que se pueda acoplar un tercer ARNt. El ARNt-aminoacil tercero se une al codon correspondiente y vuelve a for­marse otro enlace peptídico formándose ya un tripéptido. Este proceso se repite una y otra vez hasta sintetizar toda la cadena polipeptídica.

d) Fase de terminación

En el final de la secuencia de tripletes del ARNm hay un codon o más que sirve como señal de finalización de mensaje. Se conocen tres códones de terminación o stop: UAG (ámbar), UAA (ocre) y UGA (opal). Como no existen ARNt con anti­codones que se acoplen a ellos no entrará ningún ARNt en el sitio A del ribosoma y se finalizará la traducción, la cadena polipeptídica se despren­de, las dos subunidades del ribosoma se separan y el ARNm se destruye.

En realidad, grupos de ribosomas van leyendo una y otra vez la cadena de ARNm, formando asociaciones llamadas polirribosomas o polisomas, con lo que se sintetizan muchos polipéptidos simultáneamente.

REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

Los organismos no sintetizan todas las proteínas posibles al mismo tiempo, sino solo cuando se necesitan y en las cantidades precisas. La regulación de la expresión génica es muy bien conocida en procariotas debido a los estudios en Escherichia coli. En eucariotas se conoce peor.

Aunque la regulación de la síntesis proteica teóricamente podría ocurrir en muchos puntos del proceso biosintético, en los procariotas tiene lugar prin­cipalmente en la transcripción. La regulación implica interacciones entre el ambiente químico de la célula y proteínas reguladoras especiales, codifica­das por genes reguladores. Estas proteínas pueden funcionar como con­troles negativos, reprimiendo la transcripción del ARNm (sistema reprimi­ble), o como controles positivos, intensificando la transcripción (sistema inducible).

Así por ejemplo, si una célula encuentra gran abundancia del aminoácido trip­tófano en el medio o si está produciendo más triptófano del necesario, la célula detiene la producción de triptófano hasta que vuelva a surgir la necesi­dad; por tanto. se trata de un sistema reprimible, que es un sistema o con­junto de enzimas en el que la síntesis de enzimas se reprime y se impide la formación del producto final en cuanto deja de ser necesario. Así, en este caso, la síntesis de proteínas es reprimida por un exceso de producto final de una ruta metabólica sintética (anabólíca).

Sin embargo, otros metaboli­tos, como por ejemplo la lac­tosa, que la célula degrada para obtener energía (ruta catabólica), pueden no estar siempre presentes en la célu­la. Por tanto, las enzimas para la degradación de esa fuente nutritiva se formarán cuando esté presente en el ambiente celular; se trata pues de un sistema inducible. Los enzimas inducibles se sintetizan cuando el ambiente suministra el sustrato para ser degradado (catabolizado).

Sistema inducible: el modelo del operón lactosa (OPERÓN lac).

A partir de mutantes bacterianos, Jacob y Monod propusieron un modelo de regulación de la transcripción. Según este modelo los grupos de genes que codifican para proteínas funcionales se disponen en unidades conocidas como operones. Un operón comprende una serie de regiones en el ADN; el gen promotor, los genes estructurales y el gen operador. El promotor es una secuencia de nucleótidos a la que se une la enzima ARN polimerasa. Los genes estructurales son los que contienen la información para la síntesis de proteínas y el operador es una secuencia de nucleótidos situada entre el promotor y los genes estruc­turales a la que se puede unir una molécula represora:

No obstante. la transcripción de los genes estructurales depende de la actividad de otro gen, el regulador, que puede estar localiza­do en cualquier lugar del cromosoma bacte­riano. Este gen codifica una proteína llamada represor, que se une al operador reprimiéndolo, es decir, obstruye la región del promotor al ser vecino de éste, y en consecuencia la ARN polimerasa no puede unirse al ADN y no transcribe.

Sin embargo, cuando se remueve el represor de la zona del operador, deja de estar bloqueado el promotor y se puede iniciar la transcripción.

Ahora bien, la capacidad del represor para unirse al operador, y así bloquear la transcrip­ción y como consecuencia la síntesis de pro­teínas, depende a su vez de otra molécula, el efector o inductor que puede inactivar al represor para ese operón en particular.

El primer operón descubierto fue el de la lac­tosa (operón lac). La lactosa o azúcar de la leche es un disacárido que Escherichia coli puede usar como fuente de energía y de car­bono después de degradarlo a glucosa y galac­tosa. En el proceso catabólico intervienen tres enzimas: ð-galactosidasa (desdobla la lactosa en glucosa y galactosa), una permeasa (con­centra lactosa en el interior de la célula) y una acetiltransferasa (acetila otros galactósidos que no sean lactosa para que no sean catabo­lizados); estas tres enzimas están codificadas por tres genes estructurales

Cuando no hay lactosa en el medio el sistema permanece reprimido por el represor, pero si hay lactosa, esta molécula se transforma, nada más entrar en la célula, en un derivado llamado alolactosa que funciona como un inductor uniéndose al represor, modificando su estructura y provocan­do su retirada del operador, así deja paso libre a la ARN polimerasa y puede realizarse la transcripción de los genes estructurales.

ALTERACIONES DEL MATERIAL GENÉTICO. MUTACIONES

El material genético no se mantiene inmutable a lo largo de las generaciones. De forma inesperada y aleatoria, se producen alteraciones en el ADN (mutaciones) que pueden tener consecuencias importantes para el individuo que las sufre o pasar inadvertidas. Estas alteraciones pueden ser negativas para el individuo pero muy ventajosas para la especie a la que pertenece, ya que permiten aumentar la variabilidad genética, sin la cual habría sido imposible la evolución por selección natural.

Las repercusiones biológicas de las mutaciones se derivan de la alteración que se produce en la secuencia de bases nitrogenadas del ADN, que se traduce, a su vez, en un cambio en la secuencia de los aminoácidos que constituyen la proteína correspondiente. De esta forma, h proteína codificada por ese ADN puede cambiar su función biológica o actuar incorrectamente. Si el segmento de ADN alterado corresponde a una zona reguladora, se puede modificar la expresión de otros genes.

Hoy se conoce el papel que desempeñan las mutaciones en numerosos procesos biológicos, desde la evolución de las especies hasta el desarrollo del cáncer. Las mutaciones se pueden clasificar atendiendo a varios criterios. Según la alteración provocada pueden ser:

- Génicas (afectan a la secuencia nucleotídica de un gen).

- Cromosómicas (se altera la estructura de los cromosomas).

- Genómicas (cambia el número de cromosomas).

MUTACIONES GÉNICAS

Las mutaciones génicas son las mutaciones en sentido estricto. Consisten en cambios químicos del ADN. Las alteraciones producidas afectan tanto a los genes estructurales como a los genes reguladores y pueden provocar cambios en un par de bases (microlesiones) o en un segmento génico (macrolesiones).

Las mutaciones génicas aparecen fundamentalmente por dos causas:

- Errores no corregidos producidos durante la replicación del ADN.

- La acción de determinados agentes físicos o químicos, como las radiacio­nes o algunas sustancias procedentes del exterior celular o del propio metabolismo, que alteran el ADN.

Las células cuentan con mecanismos para reparar las alteraciones ocasionadas en su ADN por la mutación como, por ejemplo, las enzimas fotorreactivas, que rompen los enlaces creados entre dos timinas consecutivas (dímeros de timina) originados por algunos agentes mutagénicos. Se distinguen varios tipos de mutaciones génicas:

a) Sustitución de una base por otra. Se dividen en dos tipos: las transiciones, cuando una base púrica es reemplazada por otra púrica o una base pirimidínica es sustituida por otra pirimidínica, y las transversiones, si se produce el cambio de una base púrica por una base pirimidínica, o viceversa. Se producen por la acción de tautómeros.

b) Pérdida e inserción de bases. Estas mutaciones son más graves que las anteriores, ya que, a partir del punto de deleción o de adición todos los tripletes de bases estarán cambiados y, por tanto, el mensaje codificado será totalmente distinto. Se producen por un emparejamiento anómalo durante la replicación entre la hebra molde y la que se está sinte­tizando, o cuando ciertos compuestos, como los colorantes de acridina, se intercalan en las cadenas de polinucleótidos.

c) Cambios de lugar de algunos segmentos del ADN (transposiciones). El desplazamiento de secuencias de la cadena de nucleótidos provoca la aparición de nuevos tripletes, lo que modificará el mensaje genético.

MUTACIONES CROMOSÓMICAS

Este tipo de mutaciones afecta a la estructura de los cromosomas, por lo que es posible detectarlas al microscopio. La secuencia de bases nitrogenadas de los genes no está alterada, pero existen cambios en el número de genes o en su disposición lineal en los cromosomas. Se diferencian dos tipos de mutaciones según que la alteración afecte al número o al orden de los genes en los cromosomas:

1) Alteraciones por la existencia de un número incorrecto de genes. Tienen lugar por un fallo en el apareamiento meiótico que puede producir un sobrecruzamiento erróneo, quedando un cromosoma con un fragmento extra y el otro con un déficit. Los gametos obtenidos originarán, tras la fecundación, diversas anomalías, como las siguientes:

- Deficiencias y deleciones. Consisten en la pérdida de un fragmento del cromosoma y, en consecuencia, de algunos genes, ya sea en el extremo (deficiencia) o en otro lugar (deleción).

- Duplicaciones. Un segmento de un cromosoma se encuentra repetido, por lo que existe un exceso de los genes correspondientes. Evolutivamente, las duplicaciones poseen gran importancia ya que el aumento del número de genes puede determinar la aparición de nuevas variantes génicas en mutaciones posteriores.

2) Alteraciones en el orden de los genes. Aunque estas mutaciones no ocasionan un perjuicio al individuo que las padece, producen gametos anormales que originarán una descendencia con déficit o exceso de genes. Se distinguen dos tipos:

- Inversiones. La disposición de los genes de un fragmento cromosómico está invertida. Si el fragmento invertido incluye el centrómero, la inversión se denomina pericéntrica, y en caso contrario, paracéntrica.

- Translocaciones. Ln fragmento cromosómico cambia de posición, trasladándose a otro lugar del mismo cromosoma, a su homólogo o a otro cualquiera. Si la translocación se produce de un cromosoma a otro y de éste al primero se denomina recíproca; si el segmento simplemente pasa a situarse en otro cromosoma se llama transposición.

MUTACIONES GENÓMICAS O NUMÉRICAS

Las mutaciones genómicas o numéricas consisten en la alteración del número de cromosomas, ya sea por exceso o por defecto, por lo que se pueden detectar fácilmente al estudiar el cariotipo de un individuo.

Estas mutaciones producen siempre alteraciones graves, ya que coda cromosoma es portador de un elevado número de genes. Las más tolerables son las que afectan a cromosomas pequeños. Se distinguen dos tipos de muta­ciones numéricas: euploidías y aneuploidías.

1- Euploidías. Se trata de una alteración en el número de juegos cromosómicos, Se denomina juego cromosómico al conjunto formado por un cromosoma de cada tipo, por lo que los individuos diploides normales tienen en sus células somáticas dos de ellos. Las euploidías se subdividen en:

• Monoploidías. Únicamente existe un juego cromosómico completo, es decir, n cromosomas

• Poliploidías. La anomalía consiste en lo existencia de más de dos juegos cromosómicos. Las poliploidias pueden ser triploidias (con 3n cromo­somas), tetraploidias (con 4n), hexaploidías (con 6n), etc.

Estas mutaciones ocasionan un aumento del tamaño celular, que puede ir acompañado de un aumento del tamaño corporal, lo cual sucede con más frecuencia en los vegetales que en los animales. Por esta razón, muchas plantas de cultivo son poliploides, ya que tienen flores, frutos o semillas de mayor tamaño que las diploides normales. Así, por ejemplo, los plátanos que se consumen habitualmente son triploides; las patatas, tetraploides, y el trigo, hexaploide.

Los organismos poliploides pueden ser autopoliploides, cuando todas las dotaciones cromosómicas perte­necen o la misma especie, o alopoliploides, cuando se han producido por hibridación de distintas especies.

En los animales, al no existir un aumento significativo del tamaño de los órganos, pese a que el tamaño celular es mayor, el número de células es más bajo y la funcionalidad orgánica se altera. Los animales poliploides son por ello poco viables.

2- Aneuploidías. No existe alteración del número de juegos cromosómicos completos. Solamente falta o sobra algún cromosoma. Las aneuploidias pueden ser:

- Nulisomías: (2n - 2) cromosomas. Falta una pareja cromosómica, por lo que esta alteración tiene efectos letales.

- Monosomías: (2n - 1) cromosomas. Falta un cromosoma de una deter­minada pareja.

- Trisomías: (2n + 1) cromosomas. Un cromosoma se encuentra por tripli­cado. Es frecuente en las plantas, donde provoca cambios morfológicos.

- Tetrasomías: (2n + 2) cromosomas. Existen cuatro ejemplares de un cromosoma determinado.

Las aneuploidías se producen por la fusión de un gameto normal (con n cromosomas) con otro que posee (n - 1), (n + 1) o (n + 2) cromosomas. Las más tolerables son las que afectan a cromosomas pequeños o a los cromosomas sexuales.

AGENTES MUTAGÉNICOS

Se clasifican en tres grupos: físicos, químicos y biológicos.

AGENTES FÍSICOS

1- Radiaciones ionizantes.- Son radiaciones con longitud de onda (ðð y por tanto, muy energéticas. Provocan la ionización de los átomos de las sustancias que atraviesan. Entre estas radiaciones están los rayos X y γ, las partículas ð y ð y los neutrones emitidos en los procesos radiactivos.

Los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos son de tres tipos:

- Fisiológicos. Pueden producir cambios enzimáticos que se traducen en modificaciones metabólicas.

- Citogenéticos. Comportan alteraciones en la estructura de los cromo­somas, como deleciones y translocaciones.

- Genéticos. Son producidos por ionizaciones directas del ADN o a través de otros iones que, a su vez, provocan nuevas ionizaciones y la aparición de radicales libres muy reactivos. Estos originan cambios químicos en el ADN que se traducen en mutaciones génicas, como la rotura de los enlaces nucleotídicos, la rotura y pérdida de bases nitrogenadas y la aparición de formas tautoméricas.

2- Radiaciones no ionizantes. Son, fundamentalmente, las radiaciones ultra­violeta (UV). A diferencia de las anteriores, no producen ionizaciones. Su acción primaria consiste en provocar el paso de electrones a niveles energéticos más altos, lo cual puede dar lugar a formas tautoméricas y dímeros de timina.

Las subidas intensa y rápidas de temperatura también provocan mutaciones

AGENTES QUÍMICOS

Estas sustancias son, entre otras, el ácido nitroso, la hidroxilamina, el gas mostaza, los colorantes de acridina, etc. Las sustancias químicas mutagénicas tienen efectos más retardados que las radiaciones. Los más importantes son:

• Modificaciones de las bases nitrogenadas.

• Sustituciones de bases nitrogenadas análogas que provocan emparejamientos erróneos durante la replicación.

• Introducción de moléculas en la cadena del ADN que provocan la aparición de un exceso de nucleótidos en la hebra en formación por lo que los tripletes se alteran a partir de ese punto y el mensaje genético cambia.

AGENTES BIOLÓGICOS

Destacan ciertos virus que producen cambios en la expresión de algunos genes, por ejemplo, los retrovirus, los adenovirus o el virus de la hepatitis B humana.

Otros agentes mutagénicos biológicos son los transposones. Éstos son segmentos móviles de ADN que pueden cambiar de posición, trasladándose a otro lugar del mismo cromosoma o incluso a otro cromosoma. Los transposones provocan mutaciones al producir activación o inactivación génica (operón) cuando se insertan en los genes estructurales o reguladores.

MUTACIONES Y CÁNCER

El cáncer es causado por un proceso de división celular sin control que provoca una multiplicación rápida y desorganizada de las células que conduce a la destrucción del tejido afectado e, incluso, a la invasión de otros órganos (metástasis).

En el desencadenamiento de un cáncer intervienen diversos factores, pero se conoce la relación que existe entre determinados cambios en el material genético y la aparición de células cancerosas, ya que con frecuencia se observa en ellas la presencia de alte­raciones cromosómicas. Por otra parte, ciertos agentes mutagénicos también son cancerígenos, como, por ejemplo, las radiaciones ionizantes y no ionizantes, ciertos virus y determinados productos químicos como las anilinas (colorantes), nitritos (embutidos, patés), nitrosaminas (humo de tabaco, alimentos ahumados)

No se conoce totalmente el proceso por el que una célula normal se transforma en cancerosa, pero se sabe que se producen defectos en determinados genes que participan en la regulación de la división celular, por lo que ésta se descontrola. En este proceso intervienen dos tipos de genes:

- Oncogenes.- Provocan un aumento de las señales que estimulan la división celular, por lo que se promueve la proliferación continua de las células. Hasta la fecha se han descubierto más de cincuenta oncogenes en varias especies, entre ellas la humana.

Actualmente se cree que los oncogenes proceden de otros genes, los protoooncogenes, que codifican proteínas implicadas en la división celular. La alteración de los protooncogenes por agentes mutagénicos originaría los oncogenes activos.

- Genes supresores de tumores.- La mutación de estos genes, que codifican proteínas inhibidoras de la división celular, estimula un aumento del ritmo reproductor de las células.

Por otra parte, la mutación de los genes implicados en la corrección de errores del ADN evitaría la reparación de éstos tras la acción del agente mutagénico, en las primeras fases del proceso, y contribuiría al desarrollo definitivo del tumor.

Protooncogenes		Oncogenes activos		Estímulo de la mitosis
Genes supresores de tumores		Proteínas inhibidoras de la mitosis		Aumento del ritmo de la mitosis	Desarrollo del tumor
Genes correctores de errores en el ADN		No se repara el ADN mutado

DIFERENCIAS EN LA REPLICACIÓN DE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

1) En eucariotas el ADN está asociado a las histonas. Se ha comprobado que las histonas originales se mantienen en la hebra adelantada, mientras que en la hebra retardada se sintetizan histonas nuevas (durante la fase S) que se unen a los fragmentos de Okazaki.

2) En eucariotas los fragmentos de Okazaki son de menor tamaño (100-200 nucleótidos) que en procariotas (1000-2000 nucleótidos)

3) En procariotas intervienen 3 ADN polimerasas, mientras que en eucariotas son 5.

4) En procariotas la replicación tienen un único origen (hay un solo replicón) mientras que en eucariotas hay muchos (en mamíferos hay cientos por cada cromosoma).

5) la velocidad de replicación en eucariotas es mucho menor que en eucariotas (hasta 50 veces menos)

LA TRADUCCIÓN EN EUCARIOTAS

El mecanismo global, igual que en la replicación del ADN y la transcripción, son semejantes, pero con las diferencias siguientes:

1) Entre el lugar de la transcripción (núcleo) y el de la traducción (ribosomas citoplasmáticos) existe una separación (membrana nuclear). En procariotas no existe separación.

2) Los ARNm de eucariotas son más estables que los de procariotas.

3) Los ARNm de eucariotas son monocistrónícos, es decir, sólo llevan información para una proteína. Los ARNm de procariotas son policistrónicos.

4) El extremo 5´ de los ARNm de eucariotas llevan 7-metil guanosina trifosfato (caperuza) para poder ser identificado por los ribosomas. Los de procariotas no.

5) Los ribosomas tienen ARNr diferentes y su coeficiente de sedimentación (S) es distinto: 80 S en eucariotas y 70 S en procariotas.

6) En eucariotas el primer ARNt lleva metionina. En procariotas lleva formil-metionina.

7) Este primer ARNt se une antes a la subunidad menor del ribosoma que al ARNm, a diferencia de lo que ocurre en los procariotas.

TRANSCRIPCIÓN (en eucariotas): Existen tres tipos de ARN polimerasas:

- ARN polimerasa I.- Transcribe la información correspondiente a los ARN ribosómicos de elevado S.

- ARN polimerasa II.- Se encarga de la transcripción de los genes que codifican los ARNm.

- ARN polimerasa III.- Transcribe los ARNt, los ARNr de bajo S y los genes codificadores de las histonas.

DIFERENCIAS EN LA TRANSCRIPCIÓN EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

1- En procariotas solo existe una ARN polimerasa. En eucariotas existen 3 (I, II y III).

2- En procariotas la cadena de ARN finaliza cuando la ARN polimerasa llega a la señal de terminación, del ADN que posee una secuencia con muchas bases guanina y citosina. En eucariotas la señal de terminación es TTATTT.

3- En procariotas la velocidad de transcripción es más alta, entre 30 y 40 nucleótidos por segundo.

4- En procariotas, la única ARN polimerasa sintetiza los tres ARN existentes (ARNr, ARNt y ARNm). En eucariotas cada tipo de ARN es sintetizado por una ARN polimerasa.

5- En eucariotas es necesario un proceso final de maduración en el que se eliminan los intrones y se unen los exones. En procariotas no hay maduración pues todo el ARN es codificador.

CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENÉTICO

VIROLOGÍA.

CONCEPTO DE VIRUS

Los virus (del latín, veneno) son seres con organización acelular, situados entre el mundo inorgánico y el orgánico, caracterizados por multiplicarse solamente en el interior de células vivas por lo que son parásitos intracelulares obligados. Pueden encontrarse dentro o fuera de las células.

Los virus que se encuentran fuera de las células se llaman viriones y están formados por una porción de ácido nucleico, ADN o ARN, y una cubierta proteica o cápsida, y, en algunos casos, una envoltura membranosa. Son incapaces de generar energía y de sintetizar proteínas y dependen de las células a las que parasitan para reproducirse.

Los genes de los virus se activan cuando el genoma vírico ha entrado en una célula. Por ello, se dice que los virus son seres vivos sólo cuando se replican en las células. Fuera de ellas, los viriones sólo son compuestos químicos sin metabolismo y por tanto inertes. Nunca se pueden considerar a los virus como organismos en el sentido habitual del término.

ESTRUCTURA DE LOS VIRUS

Los virus constan de:

• la cápsida, cubierta proteica formada por subunidades llamadas capsómeros,

• un ácido nucleico, ADN o ARN, nunca los dos a la vez. Ambos ácidos pueden ser monocatenarios o bicatenarios, circulares o lineales. Puede, incluso encontrarse fragmentado, como en el virus de la gripe.

• una envoltura membranosa, sólo en algunos casos, formada a partir de la membrana de la célula a la que parasita.

CLASIFICACIÓN DE LOS VIRUS

Según la célula a la que parasitan: bacteriófagos o fagos, virus animales y virus vegetales.

Según el ácido que posean: virus ADN y virus ARN o retrovirus.

Según la cápsida: icosaédricos, helicoidales o filamentosos, complejos y virus envueltos.

VIRUS ICOSAÉDRICOS O POLIÉDRICOS.- La cápsida tiene forma de poliedro, con frecuencia de icosaedro, con 20 caras triangulares y un número de capsómeros constante por cara. Pertenecen a este tipo los adenovirus que ocasionan la polio y la hepatitis.

HELICOIDALES O FILAMENTOSOS.- Tienen una cápsida cilíndrica y los capsómeros se ordenan helicoidalmente alrededor del ácido nucleico. Es típico el virus del mosaico del tabaco (TMV)

COMPLEJOS.- Tienen características de los dos anteriores, una cabeza icosaédrica dentro de la cual está el ácido nucleico y una cola formada por una vaina helicoidal que termina en un sistema de anclaje con fibras y espinas caudales. A este tipo pertenecen los bacteriófagos de los que el más conocido es el fago T4.

VIRUS ENVUELTOS.- En éstos, la cápsida está rodeada por una membrana lipídica procedente de la célula parasitada. Internamente unos son icosaédricos y otros helicoidales. Entre ellos están el virus del SIDA, de la gripe y del herpes.

Unos virus tienen unos pocos genes y otros llegan a tener varios cientos, pero en cualquier caso son muy pocos comparados con las células más sencillas. Algunos virus tienen bases anómalas con respecto al ADN de la célula hospedadora, lo que les permite que su ADN vírico no sea afectado por las enzimas celulares.

En los retrovirus, su ARN suele ser monocatenario (ARNmc) aunque hay excepciones. Se consideran de polaridad positiva (+) los que pueden actuar como mensajeros para la síntesis proteica, una vez que se hallan dentro de la célula. Tienen polaridad negativa (-) los que deben ser copiados a mensajeros para que se puedan sintetizar proteínas. Lo más característico de los retrovirus es la presencia del enzima retrotranscriptasa o transcriptasa inversa, que replica el ARN en ADN para que se pueda intercalar en el ADN de la célula.

La envoltura membranosa externa, en los virus que la poseen, está formada por una bicapa lipídica procedente de la célula parasitada y proteínas específicas del virus que facilitan la unión a receptores celulares de membrana. Las proteínas principales de la envoltura son codificadas por el genoma vírico y constituyen los principales antígenos del virus, frente a los que responde el sistema inmune del organismo cuando es parasitado.

CICLOS DE MULTIPLICACIÓN VÍRICA: CICLO LÍTICO Y LISOGÉNICO

Aunque los virus poseen muy pocos genes, son capaces de modificar la expresión genética de las células a las que parasitan y hacer que transcriban y traduzcan su genoma. El comportamiento de los virus se ha podido descifrar, fundamentalmente, mediante el estudio de los bacteriófagos o fagos. Estos virus se adhieren a la bacteria, inyectan su ácido nucleico, que se replica utilizando el metabolismo de la bacteria y finalmente, la destruyen, liberándose los fagos formados. Unos bacteriófagos producen la destrucción inmediata de la bacteria infectada, otros permanecen un tiempo dentro de la bacteria como profagos, sin paralizar el metabolismo bacteriano. Esto origina la existencia de dos tipos de ciclos víricos: ciclo lítico y ciclo lisogénico.

CICLO LÍTICO O VIRULENTO (mayoría de fagos)

Se distinguen las siguientes fases:

1º - Fijación o adherencia.- El fago se fija a la superficie de la bacteria aprovechando la existencia de receptores específicos en la misma y su placa terminal.

2º - Penetración.- El virus perfora la pared bacteriana con ayuda del enzima lisozima que contiene su placa basal, luego inyecta su ácido nucleico en el citoplasma bacteriano mediante la contracción de la placa basal.

3º - Replicación.- El metabolismo bacteriano se bloquea y sintetiza los elementos del virus. Por un lado, se replica el ADN viral, y, por otro, utilizando la ARN polimerasa de la bacteria, se sintetizan ARNm (transcripción) que facultan la formación, por traducción, de las proteínas que forman los capsómeros.

4º - Ensamblaje.- Los capsómeros se reúnen formando la cápsida y el ADN vírico se pliega e introduce en la misma, formándose virus completos.

5º - Lisis o liberación.- una lisozima vírica produce la destrucción de la pared y membrana bacterianas y los nuevos virus quedan libres para poder infectar nuevas bacterias.

CICLO LISOGÉNICO, TEMPERADO O AVIRULENTO.

Algunos virus en lugar de destruir a la bacteria se asocian con ella, como ocurre con el fago lambda (ðð que infecta a Escherichia coli, ensamblando su ADN con el ADN bacteriano o liberándolo en el citoplasma en forma de plásmido. La bacteria sigue con una actividad casi normal y se la denomina lisogénica y el virus permanece atenuado como profago durante un tiempo.

Las fases de fijación, penetración e integración del ADN vírico en el bacteriano son semejantes al ciclo lítico.

El ADN vírico puede permanecer en estado latente durante varias generaciones de bacterias, sin que se produzca la formación de nuevos virus lo que convierte a la bacteria en inmune frente a la infección de otros virus del mismo tipo.

El estado de latencia puede ser interrumpido por algún agente externo, por ejemplo las radiaciones ionizantes, en cuyo caso el profago se transformará en virus activo y se producirá un ciclo lítico que llevará a la destrucción de la bacteria.

CICLO DEL VIRUS DE LA GRIPE

El virus de la gripe es un retrovirus (virus ARN) con dos copias idénticas de ARN monocatenario, posee una envoltura de glucoproteínas semejante a la membrana plasmática de las células hospedadoras. Su ciclo presenta semejanzas con el ciclo lítico de los bacteriófagos pero también grandes diferencias. Las fases son:

1º- Fijación o adherencia.- Glucoproteínas de la cápsida del virus contactan con receptores glucoproteicos de la membrana celular.

2º- Penetración.- La célula parasitada engloba el virus completo mediante endocitosis, y, una vez dentro, se produce la separación del ARN de su cápsida.

3º- Replicación.- El ARN vírico, mediante la retrotranscriptasa, es convertido por retrotranscripción en ADN, que se inserta en el ADN de la célula. El ADN de origen vírico sirve para formar nuevo ARN del virus, su proteína retrotranscriptasa y las demás proteínas que forman la cápsida del virus.

4º- Ensamblaje.- Se unen todos los elementos del virus sintetizados en el interior de la célula y se forman nuevos virus completos que se desplazan hacia la membrana celular, donde adquieren su envoltura membranosa.

5º- Liberación.- Los virus formados abandonan la célula parasitada sin provocar lisis, mediante exocitosis. Los virus abandonan la célula rodeados por un envoltura semejante a la membrana plasmática, en la que también se encuentran proteínas propias del virus.

EL VIRUS DEL SIDA (VIH)

Los virus causantes del SIDA (síndrome de inmunodeficiencia adquirida), VIH1 y VIH2, son también retrovirus con ARN monocatenario (+), es decir, que pueden funcionar como ARNm y formar proteínas en las células a las que parasitan. Para formar ADN en el interior de las células necesitan dos copias de su ARN y la enzima retrotranscriptasa que poseen.

El ciclo del virus del SIDA es muy semejante al de la gripe. En su fijación participan receptores víricos específicos presentes en la célula diana, generalmente linfocitos T4, y proteínas del virus, en concreto la proteína GP120.

El virus entra en el citoplasma de la célula por endocitosis, se produce la replicación de ARN en ADN por medio de la retrotranscriptasa y el ADN formado se incorpora al genoma de la célula con ayuda del enzima integrasa, formándose el provirus.

Con la ayuda de la ARN polimerasa celular se utilizan los ARNm víricos para sintetizar las proteínas del virus. Los nuevos virus formados salen de la célula por gemación (exocitosis).

El virus del SIDA actúa sobre los linfocitos T activadores (linfocitos T4) y los macrófagos, que a su vez pueden transmitirlo a las células gliales del cerebro. Su periodo de incubación va de 6 meses a 2 años, aunque se han dado casos en los que ha permanecido en estado crónico o latente durante 10 años.

La infección por VIH produce una disminución de los linfocitos T activadores, lo que supone una deficiencia en las defensas que favorece la aparición de infecciones oportunistas causantes de enfermedades como el sarcoma de Kaposi, herpes zóster, meningitis o neumonías, que suelen causar la muerte.

Entre los grupos de riesgo se encuentran homosexuales, drogadictos intravenosos, hemofílicos, recién nacidos de madres seropositivas y los receptores de sangre (éstos últimos en descenso). Como aún no hay un medio eficaz para hacer frente al virus del SIDA, son muy importantes las medidas preventivas, sabiendo que el contagio se produce por tres vías:

• Transfusión sanguínea contaminada o su inyección accidental,

• Contacto de mucosas, sobre todo por vía sexual, semen y secreciones vaginales,

• Vía transplacentaria, de la madre al hijo, en especial durante el parto.

Los últimos tratamientos se basan en la utilización de tres medicamentos antivíricos que actúan en distintos momentos del ciclo del virus, intentando bloquear la acción de la retrotranscriptasa y de las proteasas necesarias para sintetizar las proteínas de las envolturas víricas. Son:

• el AZT o azidotimidina

• Inhibidores de la proteasa

• Análogos de sustrato que actúen contra la proteasa y la transcriptasa inversa.

La dificultad para obtener una la vacuna contra el SIDA se debe, principalmente a:

• Existencia de múltiples cepas víricas.

• Elevada velocidad de multiplicación de los virus, y,

• Elevada tasa de mutación del virus.

El virus del SIDA se multiplica de forma activa y muy intensa durante todo el periodo de incubación, lo que lleva al sistema inmunitario a un estado de sobrecarga al estar sometido a un gran ritmo de producción de linfocitos para hacer frente a la formación diaria de varios miles de millones de virus.

PARTÍCULAS SUBVIRALES: VIROIDES Y PRIONES

• VIROIDES.- Son moléculas pequeñas de ARN mc circular que producen infecciones en vegetales, por ejemplo, el husillo de la patata. Estas moléculas aparecen en el núcleo de la célula hospedadora e interfieren en la regulación de los genes que codifican para determinadas hormonas.

• PRIONES.- Un prión es una proteína de pequeño tamaño del tipo de las glucoproteínas. Producen enfermedades degenerativas del sistema nervioso central de desarrollo lento en animales y en el hombre. Son responsables de la enfermedad de Creutzfeld-Jakob y de la encefalopatía bovina espongiforme (enfermedad de las vacas locas).

• TRANSPOSONES.

• PLÁSMIDOS.

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LOS VIRUS

No hay un criterio unánime sobre el origen de los virus, aunque básicamente se aceptan dos hipótesis:

- Como los virus son parásitos intracelulares, son considerados por muchos autores como el resultado de una “evolución hacia atrás” o regresión, es decir, serían células que fueron perdiendo muchas de sus estructuras al disponer de ellas en las células parasitadas, llegando a perder hasta la propia cápsida y formar los plásmidos y viroides.

- Otros los consideran como precélulas descendientes de antecesores que no evolucionaron a verdaderas células. Los antecesores serían las partículas subvirales que al conseguir la cápsida protegían su material genético en el desplazamiento entre células.

INTERFERÓN

Cuando una célula animal es infectada por un virus, puede fabricar y liberar al exterior unas pequeñas proteínas, conocidas con el nombre de interferón, que se unen a receptores de membrana de células sin infectar, estimulando la síntesis de proteínas antivíricas, que protegen ampliamente a las células vecinas de la infección vírica, tanto contra el virus que provocó la infección como ante otros virus.

Los interferones también pueden interactuar con las membranas de los leucocitos, estimulando las respuestas inflamatorias e inmunitarias. También son efectivos contra algunos tipos de cáncer, en especial de leucemias.

MICROBIOLOGÍA

Diversidad y clasificación de los microorganismos

Se consideran microorganismos aquellos seres vivos que sólo se pueden observar con ayuda del microscopio óptico o electrónico. Se localizan en todos los hábitats, y, en general, en cualquier lugar donde encuentren humedad, temperatura y alimentos adecuados para su desarrollo y reproducción.

Whittaker (1969) propuso una distribución de los seres vivos en cinco rei­nos: monera, protoctista, fungi, metafitas y metazoos. Dentro de esta clasificación, los microorganismos se hallarían en tres de los cinco reinos:

- moneras, donde se incluyen las bacterias y las cianobacterias (algas cianofíceas o algas verde-azuladas),

- protoctistas, que agrupa a las algas unicelulares y a los protozoos, y

- hongos o fungi, donde se sitúan las levaduras y los mohos.

1º- Monera

El reino monera representa el primer peldaño de la evolución de los seres vivos, pues los organismos incluidos en él son unicelu­lares y procariotas. Dentro de este grupo se encuentran todas las bacterias y las algas cianofíceas o cianobacterias.

11- BACTERIAS

Presentan una gran variedad de formas de vida; así, las hay autótrofas y heterótrofas. Entre las autótrofas:

- autótrofas fotosintéticas, como las bacterias púrpuras y verdes-sulfúreas,

- autótrofas quimiosintéticas, como las bacterias nitrificantes, las bacterias de azufre y las bacterias del metano. Las quimiosintéticas son especialmente importantes en los ciclos biogeoquímicos

Entre las bac­terias heterótrofas, las hay:

- saprófitas, es decir, descompo­nen la materia orgánica, participando, junto a las quimiosintéticas, en su reciclado; ciertas especies son utilizadas industrialmente en la fabricación de quesos, yogures, pan, vino, etc.

- simbióticas, y viven íntimamente asociadas a otros organismos, pro­porcionándose beneficios mutuos; tal es el caso de las bacterias intestinales de los herbívoros, que proveen de vitaminas a la vez que digieren la celulosa.

- parásitas o patógenas que ocasionan enfermedades en los hospedadores, como la sífilis, el cólera, la tuberculosis, etc.

12- CIANOBACTERIAS, CIANOFÍCEAS O ALGAS VERDE-AZULES

Las cianobacterias son microorganismos acuáticos que están provistos de pigmentos, lo que les permite captar luz solar para realizar la fotosíntesis.

Se cree que son las principales responsables del enriquecimiento en oxígeno de la primitiva atmósfera terrestre, que posibilitó la aparición de otros organismos hete­rótrofos. En ocasiones, forman colonias filamentosas englobadas en una cápsula mucilaginosa. En los ecosistemas contribuyen a la fijación de nitrógeno atmosféri­co en el medio acuático. En el medio terrestre, constituyen algunos tipos de líquenes en asociación con hongos.

2- ProTOCTIStas

Se trata de un reino que incluye organismos unicelulares y pluricelulares indife­renciados con estructura celular eucariota. Los microorganismos clasificados en este grupo se distinguen entre sí por el tipo de nutrición: así, las algas unicelulares son autótrofas fotosintéticas, mientras que los protozoos son heterótrofos.

21- ALGAS UNICELULARES

Habitan en medios acuáticos o en lugares húmedos, como cortezas de árboles (comúnmente llamados verdín) o en superficies rocosas; algunas establecen sim­biosis con hongos (líquenes) o con animales tales como esponjas o celentéreos. Pueden vivir libres o asociadas en colonias más o menos com­plejas; presentan una serie de pigmentos que facilitan la captación de luz para la foto­síntesis y les dan coloraciones específicas. Se cla­sifican en función de sus pigmentos y de las sustancias de reserva que acumulan en 5 Clases: Euglenofíceas, Pirrofíceas, Crisofíceas, Xantofíceas y Clorofíceas.

22- Protozoos

Tienen características típicamente animales, como la captura y la digestión del alimento, por lo que han sido considerados en Zoología y Parasi­tología como los «primeros animales». Desde el punto de vista ecológico los hay:

- protozoos de vida libre que habitan en el agua, en el suelo o en la materia orgánica en descomposición, llegando a soportar condiciones extremas.

- parásitos, causantes de enfermedades como la disentería o el paludismo.

- inqui­linos, resultan inofensivos.

Uno de los criterios comúnmente usados para clasificarlos es el tipo de locomo­ción:

- las Amebas emiten pseudópodos, utilizados para su desplazamiento y para la captura del alimento. Suelen vivir en charcas y se enquistan cuando las condiciones ambientales son desfavorables. Algunas especies habitan en el intestino humano sin causar daño, mientras que otras producen enfermedades como la disentería amebiana.

- Los ciliados se despla­zan mediante movimientos sincronizados de los cilios que recubren su superficie. En las formas fijas, la corriente inducida por el movimiento ciliar atrae a pequeños organismos de los que se alimentan. Generalmente son acuáticos de vida libre, aunque hay contadas especies parásitas.

- Los flagelados están dotados de uno o dos flagelos con los que se desplazan. En este grupo son muy frecuentes las especies pató­genas.

- Los esporozoos forman esporas; son parásitos obligados y algunas especies son responsables de enfermedades como el paludismo.

3º- Hongos (REINO FUNGI)

Los hongos se clasificaron en un reino aparte debido a sus peculiares características, en parte, propias de animales y, en parte, de vegetales.

Los hongos son organismos heterótrotos saprófitos, es decir, descom­ponedores de materia orgánica, y actúan en los ecosistemas terrestres como recicladores. No obstante, en ocasiones, la actividad descomponedora de los hongos puede causar pérdidas económicas si atacan a los alimentos o la madera.

Algunos hongos tienen gran importancia económica, pues intervienen en fermentaciones industriales, como la fabricación del pan, la cerveza o el vino, o en la producción de antibióticos. Otros son parásitos de animales y plantas, o establecen relaciones simbióticas. En todos los casos, carecen de clorofila y se reproducen, generalmente, por esporas. De especial inte­rés microbiológico son los mohos y las levaduras.

- Los mohos son hongos pluricelulares cuyo cuerpo vegetativo está constituido por filamentos celulares denominados hifas, cuyas paredes poseen celulosa, quitina o las dos sustancias.

Aguantan condiciones ambientales extremas. Entre ellos, des­taca el moho del pan (Rhizopus), y Penicillium, productor del antibiótico penicilina.

- Las levaduras se diferencian de los mohos en que son unicelulares y se reproducen por gemación. Están muy difundidas en la natura­leza, y suelen ser dispersadas por el viento y los insectos; también presentan especies patógenas de animales y vegetales. Son muy utilizadas en procesos fermentativos y como modelo para el estudio de pro­cesos metabólicos. Muy importante es Saccha­romyces cerevisiae, responsable de la fermentación alcohólica.

LOS MICROORGANISMOS COMO AGENTES PATÓGENOS

Desde que nace, el ser humano entra en contacto con multitud de microorganismos, muchos de los cuales son inocuos o incluso beneficiosos; otros, sin embargo, causan un desequilibrio en la función normal del organismo y originan enfermedades.

Se denomina biota normal al conjunto de microorganismos que se esta­blecen y crecen sobre las superficies corporales sin producir daño.

Los parásitos son microorganismos que viven a expensas de otros orga­nismos hospedadores. Cuando el crecimiento del parásito ocasiona un daño a las células u órganos del individuo parasitado, reciben el nombre de patógenos. Hay que considerar los siguientes conceptos:

- La patogeneidad se define como la capacidad potencial de un microorganismo para producir una enfermedad.

- La virulencia es el grado de patogenidad. Se mide por el número de microorganismos necesarios para producir la enfermedad.

- La infección es el crecimiento y colonización de microorganismos patógenos en un individuo. No es sinónimo de enfermedad.

Los microorganismos que normalmente no causan enfermedades en su hábitat natural y se convierten en patógenos bajo determinadas circuns­tancias, se denominan patógenos oportunistas.

BIOTA NORMAL

La biota normal se localiza principalmente en la piel, cavidad oral y los tractos respiratorio, intestinal y genitourinario. En condiciones normales, estos microorganismos no tienen efectos negativos y compiten con otras bacterias que sí pueden tener un efecto patógeno, evitando así su proliferación.

En la piel y la cavidad oral proliferan sobre todo bacterias gram positivas, levaduras y estafilococos. Ocasionalmente, algunas especies pueden causar infecciones y contribuyen al desarrollo del acné, como Propionibacterium acnes, o producen caries, como Streptococcus nutans en la placa dental.

En el tracto intestinal son más comunes las bacterias gram negativas, como Escherichia coli, beneficiosa, ya que con­tribuye a la digestión de los ácidos biliares y aporta vitaminas al organismo.

En las mucosas genitales hay gran número de bacterias y hongos (por ejemplo, Candida albicans) que pueden originar infecciones vaginales ante un descenso ocasional del pH.

FASES DE LA INFECCIÓN

Los agentes patógenos desarrollan una serie de estrategias: entrada en el hospedador, adhesión a los tejidos del hospedador, invasión de las células del organismo y desarrollo de la infección.

1º- Entrada en el hospedador

Los microorganismos potencialmente patógenos pueden introducirse en el organismo a través de las superficies corporales (la piel y las mucosas), por heridas o abrasiones, o con la ayuda de otros organismos vectores, como insectos chupadores, chinches, pulgas, etc.

2º- Adhesión a los tejidos del hospedador

En muchos casos, la adherencia es específica, de manera que los microorganismos se adhieren selectivamente a las células de una zona particular del cuerpo.

En el proceso de adherencia específica están implicadas las cápsulas y fimbrias de las bacterias. Por ejemplo, sólo son virulentas las cepas capsuladas de Streptococcus pneumoniae (neumonía neumocócica). En Neisseria gonorrhoeae, (gonorrea), las fimbrias son esenciales para la adherencia y posterior invasión del epitelio genitourinario.

3º- Invasión de las células del organismo

Muchos patógenos penetran desde el lugar de contacto con el organismo hasta alcanzar los células o tejidos más idóneos para su proliferación. Para ello, se unen a moléculas específicos de la célula (receptores) y penetran posteriormente por endocitosis o por fusión de membranas, como algunos virus con envoltura (virus del herpes labial.

4º- Desarrollo de la infección

Una vez alcanzado su objetivo, el patógeno debe eludir los mecanismos de defensa del hospedador para crecer y colonizar el tejido infectado.

Si el patógeno penetro en el cuerpo a través de la sangre o lo linfa, puede diseminarse por todo el organismo y alcanzar distintos órganos provocando una infección generalizada o septicemia.

Las lesiones en el tejido y, por tanto, el desarrollo de lo enfermedad se pueden producir por varios causas:

- Lesión directa de los células. Muchos virus, como, por ejemplo, el de la polio, provocan la lisis de la célula parasitada. Se destruye un gran número de neuronas motoras en la médula espinal, que origina la parálisis característica de la poliomielitis.

- Producción de factores de virulencia. Se trato de unas enzimas que favorecen la evolución del patógeno.

- Producción de toxinas. Las toxinas son productos del metabolismo bacteriano que dañan a las células y tejidos del hospedador. Algunos toxinas se liberan al exterior durante el crecimiento del microorganismo (exotoxinas) y otras son com­ponentes del propio microorganismo y sólo se liberan cuando éste se lisa (endotoxinas). Las exotoxinas tienen un efecto más grave sobre el hos­pedador que las endotoxinas.

- Las endotoxinas son los lipopolisacáridos de la membrana externa la pared celular de las bacterias gram negativas (¡¡ampliar pared celular de bacterias!!)

- Las exotoxinas pueden ser liberadas por los microorganismos en el interior del hospedador o bien en el exterior, sobre otro medio, como los alimentos, causando en este caso una intoxicación alimentaria. El botulismo, por ejemplo, es una grave intoxicación alimentaria producida por una toxina de Clostridium botulinum que libera en ambientes anaerobios propicio (alimentos en conserva).

Para combatir el efecto dc algunas toxinas microbianas se han desarrollado antitoxinas y toxoides. Una antitoxina es un suero con anticuerpos dirigidos contra la toxina, mientras que los toxoides son toxinas modificadas que inducen la formación de anticuerpos.

AGENTES ANTIMICROBIANOS Y QUIMIOTERAPÉUTICOS

Un agente antimicrobiano es un producto químico que mata o inhibe el crecimiento de los microorganismos (microbicidas o agentes estáticos, respec­tivamente). Según el tipo de microorganismos contra los que actúan, pueden ser antibacterianos, antivíricos, antifúngicos o antiparasitarios.

Los agentes químicos que se utilizan en el tratamiento de enfermedades producidas por microorganismos se denominan agentes quimioterapéuticos. Deben ser inocuos o presentar una baja toxicidad para el organismo. Los prin­cipales agentes quimioterapéuticos son las sulfamidas y los antibióficos:

Las sulfamidas son agentes bacteriostáticos sintéticos que actúan sobre los microorganismos inhibiendo la síntesis de ácido fólico. Actualmente, las sulfamidas apenas se utilizan en el tratamiento de infecciones bacterianos, aunque actualmente se vuelven a utilizar contra la neumonía producida por el SIDA.

Los antibióticos son agentes antimicrobianos producidos de forma natural por otros microorganismos, principalmente hongos. En general, tienen efecto antibacteriano, aunque también hay antibióticos antifúngicos.

Algunos antibióticos son semisintéticos, es decir, se trata de antibióticos naturales cuya composición química se ha modificado parcialmente. Po ejemplo la ampicilina, una penicilina semisintética con un espectro de acción mayor que la penicilina natural.

Los antibióticos se encuentran actualmente entre los fármacos más utilizados en el tratamiento de enfermedades producidas por bacterias.

Algunos antibióticos son de amplio espectro, es decir, actúan gran variedad de microorganismos, y otras son de espectro reducido,o sea, actúan únicamente sobre un grupo concreto de microorganismos.

La acción antibacteriana de los antibióticos se realiza de formas diferentes:

- Inhibiendo la síntesis de la pared celular bacteriana, como la penicilina.

- Alterando de la permeabilidad selectiva de la membrana plasmática. Son bastante tóxicos, por lo que se administran sólo sobre las superficies corporales (uso tópico). Por ejemplo, la polimixina B.

- Inhibiendo la síntesis de proteínas, como la eritromicina, que actúa selectivamente sobre los ribo­somas bacterianos.

- Inhibición de la síntesis de ácidos nucleicos. Estos antibióticos suelen ser tóxicos para el hospedador, salvo algunos casos, como la rifamicina.

ANTIVÍRICOS

Los virus usan la maquinaria replicativa del hospedador para reproducirse. Por ello resulta muy difícil desarrollar agentes quimioterapéuticos eficaces que no tengan efectos negativos para el organismo.

La rifamicina, por ejemplo, es un antibiótico que inhibe la función de la ARN polimerasa bacteriana y la de algunos virus, como el de la viruela o el de la mixomatosis.

La azidotimidina (AZT) inhibe la transcripción inversa en los retrovirus, por lo que se utiliza, en combinación con otros fármacos, para frenar el desarrollo de los retrovirus (entre los cuales se encuentra el virus del SIDA).

ANTIFÚNGICOS Y ANTIPARASITARIOS

Los hongos y los parásitos son organismos eucariotas con mecanismos metabólicos y celulares semejantes a los de los animales superiores, por lo que es más difícil encontrar compuestos eficaces que no resulten tóxicos para éstos, y en muchos casos sólo tienen una aplicación tópica.

Los antifúngicos más utilizados inhiben la síntesis del ergosterol, compo­nente de las membranas celulares en eucariotas inferiores, en lugar del coles­terol. Entre los antiparasitarios destacan el metronidazol, activo frente a algunos protistas parásitos intracelulares como Trichomonas vaginalis y la cloroquina, derivado de la quinina que es el agente más efectivo contra el paludismo, causado por Plasmodium sp.

MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL

La Biotecnología tradicional comprende un conjunto de procesos industriales en los que se cultivan microorganismos a gran escala para obtener productos comerciales útiles para el hombre. En este tipo de biotecnología se fundamenta la Microbiología Industrial, que utiliza las técnicas de fermentación tradicionales en la fabricación de los alimentos, como el vino, queso, etc., y de productos farmacéuticos, como los antibióticos y las vacunas.

Estos mecanismos se basan en la potenciación de las reacciones metabólicas que los microorganismos empleados son capaces de llevar a cabo de forma natural para conseguir un mayor rendimiento.

Para alcanzar este objetivo, tradicionalmente se han utilizado dos métodos:

• La modificación de las características del microorganismo por medio de técnicas clásicas como la mutación y la selección.

• La modificación de las condiciones físico-químicas del proceso (temperatura, aireación, pH, etc.) para optimizar el rendimiento.

Estos procesos biotecnológicos se han aplicado básicamente en tres tipos de industrias: alimentarias, farmacéuticas y agropecuarias.

INDUSTRIAS ALIMENTARIAS

LA FABRICACIÓN DEL PAN

Los microorganismos que intervienen en la fabricación del pan son levaduras de la especie Saccharomyces cerevisiae, las cuales realizan una fermentación alcohólica que emplea como sustratos los azúcares de la harina de trigo.

Los productos obtenidos en la fermentación son etanol, que se evapora en la cocción, y CO2, responsable de que la masa aumente de volumen y se esponje. Resumida, la reacción es:

C6H12O6 2 CH3-CH2OH + 2CO2 + 2ATP

La elaboración del pan consiste en mezclar harina, agua, sal y levadura. Al entrar en contacto con el agua, las amilasas presentes en la harina hidrolizan el almidón a mono y disacáridos, que son fermentados por la levadura. El CO2 resultante queda atrapado en el interior de la masa y forma numerosas burbujas que determinan el aspecto esponjoso de la misma.

La cocción de la masa elimina el etanol producido en la fermentación y destruye las células de levadura. Así mismo, el contenido de agua se reduce.

FABRICACIÓN DEL VINO Y LA CERVEZA

En estos procesos también interviene la levadura Saccharomyces cerevisiae, que realiza una fermentación alcohólica semejante a la de la producción del pan.

en el caso del vino, el sustrato de fermentación son los azúcares del mosto (zumo natural de las uvas), fructosa y glucosa. La levadura, que se encuentra de forma natural en la piel de las uvas, transforman estos azúcares en etanol y CO2.

El proceso de formación del vino se inicia con el prensado de las uvas para obtener el mosto. Las levaduras comienzan rápidamente la fermentación, aunque en la producción industrial del vino se añaden capas de levadura para incrementar el contenido de etanol. El CO2 resultante se evapora o se elimina artificialmente, excepto en los vinos espumosos (cava, champan, etc).

Cuando termina la fermentación, el vino se aclara y se embotella, en el caso de vinos jóvenes, o se somete a un proceso de maduración para envejecerlo.

La cerveza es el resultado de un procedimiento de fabricación mas complicado tecnológicamente pues implica la germinación de las semillas de cebada para obtener malta. La malta es tostada posteriormente en un proceso llamado malteado.

Los azúcares presentes en la malta son el sustrato para la fermentación alcohólica en la que el producto final se consigue mediante la incorporación de aditivos como las flores de lúpulo, responsables del sabor amargo.

3- FABRICACIÓN DEL QUESO Y OTROS DERIVADOS LÁCTEOS

En la elaboración del queso y productos como el yogur, la cuajada o el kéfir, intervienen el grupo de las bacterias lácticas, que fermentan azúcares sencillos para producir ácido láctico:

C6h12o6 2 CH3-CHOH-COOH + 2ATP

Estas bacterias se encuentran de forma natural en la leche sin esterilizar. Las más importantes son los géneros Lactobacillus y Lactococcus.

Las técnicas de fabricación del queso y leches fermentadas son muy antiguas y probablemente nacieron, indirectamente, como un medio para conservar la leche. El yogur, cuajada, etc., reciben el nombre de leches fermentadas porque se obtienen mediante un proceso de fermentación láctica de la leche en condiciones controladas de pH y temperatura. El ácido láctico producido actúa como un conservante natural y evita así su deterioro por otros microorganismos.

La elaboración del queso se realiza en tres etapas:

1ª.- Adición a la leche de renina o cuajo, una enzima del estómago de rumiantes. En combinación con el láctico producido por las bacterias lácticas, la renina precipita las proteínas lácticas formando un producto sólido, la cuajada, que se separa posteriormente del componente líquido llamado suero lácteo.

2ª.- Separación del suero y la cuajada mediante un proceso de filtración en el cual se hace pasar el conjunto a través de telas. A continuación se añade sal a la cuajada.

3ª.- Maduración del queso. Según el tipo de queso, en esta etapa intervienen otras bacterias, como Micrococcus, responsables del sabor y olor propios de cada variedad.

INDUSTRIA FARMACÉUTICA

1- OBTENCIÓN DE VACUNAS

El organismo es capaz de reconocer e identificar ciertos agentes patógenos, bacterias o virus, y de poner en marcha el sistema inmunitario con el fin de:

• Destruir y eliminar el agente infeccioso.

• Conservar en su memoria algunos aspectos identificativos del agente, sus antígenos o determinantes antigénicos, de modo que el organismo quede inmunizado y sea capaz de desarrollar una respuesta inmediata ante una nueva exposición al mismo antígeno.

La vacunación se basa en la capacidad de “memoria” del sistema inmunológico. Así, inoculando el virus o bacteria desprovistos de su virulencia, o fragmentos del mismo que contengan antígenos adecuados, el organismo no llega a padecer la enfermedad, pero sí fabrica anticuerpos contra el agente. Se induce de esta forma una inmunización activa pues se conserva la capacidad antigénica.

Actualmente la obtención de vacunas se realiza utilizando técnicas de ingeniería genética.

PRODUCCIÓN DE ANTIBIÓTICOS

La penicilina fue el primer antibiótico que se consiguió aislar. En 1929, estudiando las infecciones de heridas causadas por Staphylococcus aureus, Alexander Fleming observó una sustancia producida por el hongo Penicillium notatum que impedía el crecimiento de la bacteria. La producción en masa de la penicilina no se realizó hasta finales de la Segunda Guerra Mundial (años 40).

Otros antibióticos obtenidos por fermentación industrial son:

Las cefalosporinas, muy semejantes químicamente a las penicilinas, ya que ambos grupos derivan de una estructura química llamada ð-lactamasa, de ahí que se incluyan en la clase de los ð-lactámicos. Son producidos por hongos del género Cephalosporium y son de amplio espectro.

Los antibióticos producidos por los actinomicetos, grupo de bacterias gram positivas aerobias del suelo. Entre ellos destacan:

• La estreptomicina, producida por Streptomyces griseus, utilizada contra la tuberculosis.

• El cloranfenicol, producido por S. venezuelae, utilizado contra las fiebres tifoideas.

• La eritromicina, producida por S. erythreus, de amplio espectro, y,

• La tetraciclina, producida por S. rimosus; se usa como alternativa en las personas alérgicas a la penicilina.

Actualmente, los procedimientos de búsqueda de nuevos fármacos son muy diferentes debido al avance en Biología molecular. Se trata de fármacos de diseño y los procedimientos se basan en tres factores:

• El conocimiento de la enfermedad a nivel molecular, es decir, de los mecanismos moleculares responsables del cuadro clínico.

• El diseño dirigido de una molécula biológicamente activa que contrarreste los efectos moleculares de la enfermedad.

• Obtención de moléculas bioactivas naturales que curan o mejoran los síntomas de alguna enfermedad.

INGENIERÍA GENÉTICA y biotecnología

La ingeniería genética, o manipulación genética, es el conjunto de técnicas, nacidas de la Biología molecular, que permiten manipular el genoma de un ser vivo.

La posibilidad de manipular los genes permite unir genes de organismos diferentes, de manera que se forman nuevas combinaciones de los mismos y por tanto nuevas características hereditarias en los organismos manipulados.

Los avances en la ingeniería genética permiten actualmente múltiples aplicaciones en investigación básica, medicina, agricultura y fabricación de medicamentos, armas biológicas, etc.

Los procesos más utilizados en la ingeniería genética son dos: tecnología del ADN recombinante y reacción cadena de la polimerasa o PCR.

I- TECNOLOGÍA DEL ADN RECOMBINANTE (o manipulación genética)

El proceso se realiza en las siguientes fases:

Aislamiento del gen específico a recombinar.

Introducción de este gen en otra célula de un organismo vivo.

Incorporación del gen al genoma de la célula hospedadora.

Detección del gen clonado

a) Aislamiento del gen específico.

Para aislar un determinado gen del ADN de una célula se utilizan las enzimas de restricción o endonucleasas (tijeras orgánicas) que cortan el ADN en secuencias específicas, de entre 5 y 10 pares de bases. Se conocen bastantes endonucleasas, por ejemplo la ECOR1. Estas secuencias se llaman palindrómicas, pues se leen igual en los dos sentidos. De esta forma se aísla el gen deseado. Este gen se transcribe a ARNm y utilizando la transcriptasa inversa, se forma un filamento de ADN complementario (ADNc). De esta forma se sintetizan genes a partir de moléculas de ARNm:

3´…G-A-A-T-T-C…5´ 3´…C-T-T-A-A-G…5´ 5´…G-A-A-U-U-C…3´

5´... C-T-T-A-A-G…3´

3´…C-T-T-A-A-G…5´

b) Introducción del gen en una célula de otro organismo vivo.

Para que un gen “intruso” no sea rechazado por el ADN de la célula hospedadora y para que además se replique con ella, debe ser ligado a una molécula de ADN presente normalmente en la célula. Estas moléculas se denominan vectores, y existen dos tipos: los plásmidos y los bacteriófagos.

Los plásmidos se encuentran en las bacterias y son moléculas de ADN que se replican independientemente del cromosoma bacteriano. El proceso consiste en una transformación artificial realizada en cultivos en el laboratorio.

Los bacteriófagos son fagos atenuados que se insertan en el cromosoma bacteriano. Se trata de una transducción artificial. Si se utilizan virus líticos es necesario suprimir antes los genes responsables de la lisis celular para evitar la lisis de la célula hospedadora.

c) Incorporación del gen al genoma de la célula hospedadora.

Para incorporar el nuevo gen al ADN del plásmido, primero se saca a éste de la bacteria y se le corta, con una endonucleasa, un trozo de ADN. En su lugar se inserta el gen “extraño” mediante enzimas ligasas. De esta forma se obtiene ADN recombinante que se introduce de nuevo en la bacteria y se multiplica con ella.

Cada grupo de bacterias que derivan de una sola y que, por tanto, llevarán el mismo plásmido recombinante, se denomina clon. Existirán tantos clones distintos como fragmentos de ADN diferentes hayan sido captados por las bacterias. A este conjunto de clones se denomina biblioteca genómica.

Cuando se utilizan bacteriófagos como vectores el proceso es más complejo, pero en esencia se trata de que éstos, que son bacteriófagos atenuados, se insertan en el cromosoma bacteriano desarrollando la bacteria ciclos lisogénicos, que transmiten el ADN recombinante a la descendencia.

d) Detección del gen clonado

Para comprobar que el gen clonado ha sido insertado con éxito en la bacteria hospedadora se utilizan diversos métodos:

• Gen marcador: consiste en que el gen clonado lleva además otro gen marcador de fácil detección fenotípica, por ejemplo un gen que codifique para una proteína resistente a un determinado antibiótico.

• En otros casos, el gen se detecta mediante sonda radiactiva. Consiste en marcar radiactivamente el gen clonado que se manifestará por autorradiografía

II- Reacción en cadena de la polimerasa o pcr (polymerase chaín reaction)

Las enzimas ADN polimerasas duplican el ADN copiando las dos cadenas de la doble hélice y se obtienen dos moléculas de ADN bicatenario exactamente iguales. Para que esto pueda realizarse en el laboratorio es necesario:

• Una cadena molde de ADN, que es una de las dos hebras de la doble hélice.

• Una mezcla de desoxinucleótidos trifosfato (nucleótidos de ADN)

• Un cebador, que es un pequeño fragmento de ADN monocatenario, cuya secuencia de bases es complementaria de uno de los extremos de la cadena molde.

Se lleva a cabo de la siguiente forma:

La molécula o fragmento de ADN que se desea replicar se desnaturaliza para separar las dos hebras de la doble hélice. Para ello se somete el ADN a temperaturas elevadas. Cada una de las dos hebras sirve como molde para sintetizar otra cadena complementaria.

Para que la ADN polimerasa pueda copiar las cadenas complementarias, son necesarios unos cebadores que son pequeños fragmentos de ADN monocatenario y una mezcla de desoxinucleótidos.

Cuando la PCR fue descrita por primera vez, la ADN polimerasa utilizada era la de E. Coli que tenía el inconveniente de desnaturalizarse (como el ADN bicatenario) debido a la alta temperatura necesaria. El problema se resolvió al descubrirse la bacteria termófila Thermus aquaticus, que vive en aguas termales por lo que todas sus enzimas, incluidas las ADN polimerasas, son funcionales a temperaturas muy elevadas. La ADN polimerasa de esta bacteria es estable hasta los 95º C.

Este proceso constituye un ciclo de síntesis. Si se repite el proceso íntegramente, se partiría de 4 hebras molde y se obtendrían 4 moléculas bicatenarias. Si se realiza un nuevo ciclo, se partiría de 8 hebras molde que darían 8 moléculas bicatenarias. En el siguiente ciclo, los moldes serían 16.

Se trata, por tanto de un proceso exponencial. Tras 20 ciclos de síntesis se pueden obtener del orden de un millón de copias de una molécula de ADN.

La PCR permite obtener en el laboratorio múltiples copias, en poco tiempo, de un fragmento determinado de ADN. Se basa en la capacidad de la ADN polimerasa para replicar el ADN.

APLICACIONES DE LA PCR

La finalidad de la PCR es la amplificación del ADN, es decir, la obtención de múltiples copias de un fragmento específico de ADN a partir de un número pequeño de moléculas. Las aplicaciones son casi ilimitadas y entre ellas destacan:

• Clonación de genes

• Estudios evolutivos

• Estudios históricos y arqueológicos

• Medicina forense, pruebas de paternidad (huellas “dactilares” de ADN), etc.

Inmunología

Todos los organismos han desarrollado mecanismos de defensa frente a la invasión de agentes patógenos. Estos mecanismos pueden ser inespecíficos, impidiendo su entrada en el organismo o destruyéndolos con rapidez, o específicos, lo que se conoce como respuesta inmunitaria.

MECANISMOS DE DEFENSA INESPECÍFICOS

Estos mecanismos actúan contra cualquier microorganismo o sustancia extraña. Son de tres tipos: barreras naturales, microflora normal del organismo y respuesta celular inespecífica.

1.- Barreras naturales o primaria.- Están constituidas por la piel y las secreciones de las superficies mucosas. La piel constituye, en primer lugar, una barrera mecánica debido a su grosor y a su estructura, ya que la capa córnea más externa está queratinizada, es decir, compuesta por células muertas e impermeables que se van desgastando y perdiendo constantemente (descamación) y van siendo sustituidas por otras.

La piel actúa, además, como barrera química, ya que, tanto los ácidos grasos que liberan las glándulas sebáceas como el sudor, hacen que posea un pH ligeramente ácido, no adecuado para el desarrollo de muchos microorganismos.

Estas secreciones ácidas impiden también el desarrollo de microorganismos en las aberturas naturales del organismo, que están protegidas por superficies mucosas, como ocurre en la vagina o el estómago.

Las secreciones mucosas contienen también enzimas bactericidas como la lisozima, presente en el moco (mucus), saliva y lágrimas, o la espermina que se encuentra en el semen.

En las vías respiratorias, el mucus es expulsado al exterior junto con los restos de microorganismos y sustancias extañas, lo que es posible gracias al movimiento de los cilios de las células epiteliales. La expulsión se realiza mediante la tos o el estornudo.

2.- Microflora normal del organismo (Biota normal). Los animales poseen una microflora propia, constituida por microorganismos comensales o mutualistas, que dificulta el desarrollo de otros microorganismos, bien al competir con éstos por los nutrientes, bien liberando sustancias inhibidoras al medio.

3.- Respuesta celular inespecífica o barrera secundaria.- Se activa si, por alguna causa (herida, quemadura, etc.), los microorganismos patógenos invaden los tejidos.

Las propias células afectadas producen sustancias antimicrobianas, por ejemplo interferón, al ser infectadas por virus. El interferón estimula a otras células vecinas sanas para que produzcan proteínas antivirales que son enzimas específicas que impiden que la célula sintetice las macromoléculas necesarias para el virus, o bien destruir los ARNm víricos. Por eso, los viriones producidos dentro de las células que han sido expuestas al interferón son menos eficaces para infectar nuevas células.

Las células de los tejidos afectados liberan también otro tipo de sustancias, como la histamina, la serotonina, etc., lo que desencadena la reacción inflamatoria, cuyo mecanismo es el siguiente:

- las sustancias liberadas provocan la dilatación de los vasos sanguíneos, lo que ocasiona un aumento del flujo sanguíneo a la zona que llega cargado de muchas células fagocitarias. Esto provoca un enrojecimiento y calor local.

- Dichas células producen, asimismo, un incremento en la permeabilidad de los capilares de la zona, que provoca la salida de plasma sanguíneo hacia el espacio intersticial, de forma que el volumen de líquido intersticial aumenta ocasionando un edema o inflamación. Esta hinchazón provoca la sensación de dolor local.

El plasma que sale de los capilares contiene anticuerpos (gammaglobulinas) que pasan a los tejidos lesionados.

La principal función de la inflamación parece ser la llegada de fagocitos a la zona, que son atraídos quimiotácticamente por las sustancias liberadas por las células.

Los leucocitos son células ameboides capaces de desplazarse, incluso, en contra de la corriente sanguínea y algunos tipos pueden atravesar las paredes de los capilares, por el proceso llamado diapédesis, para moverse por los tejidos.

Después de fagocitar cierta cantidad de bacterias y restos orgánicos, quedan desactivados y mueren. El conjunto de leucocitos muertos y los restos de los microorganismos constituyen el pus, que se puede reabsorber o expulsar al exterior.

Cuando la infección es extensa se produce fiebre, debido a que aumenta mucho la concentración de determinadas proteínas producidas por los fagocitos, llamadas pirógenos endógenos y de prostaglandinas sintetizadas por las células dañadas, lo que modifica el “termostato del organismo” situado en el hipotálamo.

Tipos de leucocitos

NEUTRÓFILOS	EOSINÓFILOS	BASÓFILOS	LINFOCITOS	MONOCITOS
Fagocitan celulas tisulares muertas	Intervienen en reacciones alérgicas e ifecciones parasitarias	Intervienen en alérgias. Liberan heparina en los tejidos	Intervienen en la respuesta inmunitaria específica. Son muy versátiles	Fagocitan bacterias, células muertas y restos orgánicos. De la sangre salen a los tejidos y se convierten en macrófagos

MECANISMOS ESPECÍFICOS: RESPUESTA INMUNE

Cuando los mecanismos de defensa inespecíficos no son suficientes para controlar la infección, se activa el sistema de defensa específico.

La respuesta inmunitaria se basa en la capacidad de distinguir lo propio de lo extraño. Cualquier organismo es capaz de reconocer sus propias células gracias a que éstas poseen en su superficie moléculas, llamadas antígenos de histocompatibilidad (HLA), que son proteínas o glúcidos, que son ligeramente distintas a las moléculas superficiales de otras células, ya sean de otras especies o, incluso, de otros organismos de la misma especie. Al detectar la presencia de moléculas extrañas, el organismo elabora una respuesta encaminada a su destrucción: la respuesta inmunitaria.

Existen dos tipos de inmunidad específica:

- La respuesta humoral o inmunidad mediada por anticuerpos, en la que los linfocitos producen sustancias específicas llamadas anticuerpos que provocan la destrucción del agente invasor. La realizan fundamentalmente los linfocitos B, y la

- La respuesta celular o inmunidad mediada por células, en la que los linfocitos atacan directamente al agente patógeno. Intervienen principalmente los linfocitos T.

SISTEMA INMUNITARIO

Las dos clases de inmunidad específica son realizadas por los linfocitos, de ahí que el sistema inmunitario esté constituido por todos los órganos donde se originan, transforman y acumulan los linfocitos.

Los linfocitos se originan por diferenciación de las células madre de la médula ósea, y se transformarán en uno u otro tipo según el lugar donde maduren. Las estructuras en las que maduran son los órganos linfoides primarios:

- El timo, que produce linfocitos T

- La médula ósea, productora de linfocitos B

- la bolsa de Fabricio, exclusiva de las aves, donde se originan linfocitos B.

Al abandonar estos órganos, las células viajan por la sangre y la linfa hasta las estructuras donde se acumulan: son los órganos linfoides secundarios: ganglios linfáticos, bazo, amígdalas, apéndice vermicular, placas de Peyer.

Las dos clases de linfocitos se diferencian en las macromoléculas de superficie que poseen. Así, los linfocitos B presentan inmunoglobulinas (cada linfocito B lleva en su membrana un solo tipo de inmunoglobulina), capaces de detectar antígenos solubles.

Los linfocitos T tienen moléculas receptoras específicas que reconocen fragmentos proteicos de los antígenos de la superficie de otras células del organismo.

LOS ANTÍGENOS

Son sustancias que se caracterizan por:

- Ser exógenas, es decir, extrañas al organismo.

- Ser inmunogénicas, capaces de inducir en el individuo hospedador la formación de anticuerpos.

- Reaccionan específicamente con los anticuerpos.

Existen diversas moléculas que pueden actuar como antígenos: proteínas, polisacáridos, lipoproteínas, nucleoproteínas, etc. Estas moléculas, o bien se localizan en la superficie de un agente patógeno, o bien son sustancias producidas por éste.

En la molécula del antígeno cabe destacar diversas zonas (una o más) que es donde reside la capacidad de provocar la aparición de anticuerpos y de reaccionar con ellos. Estas zonas presentan una configuración espacial que puede ser identificada por un anticuerpo. A estas porciones de la molécula se las denomina determinantes antigénicos.

Existen unas moléculas llamadas haptenos, capaces de unirse específicamente con algunos anticuerpos. Sin embargo, no se consideran antígenos, ya que no son inmunogénicas, es decir, no provocan la formación de anticuerpos. Pueden volverse antigénicas al combinarse con una molécula de mayor tamaño que, en la mayoría de los casos, es una proteína. Existen haptenos, por ejemplo, en el polvo o en algunos medicamentos.

Generalmente, un antígeno posee entre cinco y diez determinantes antigénicos en su superficie, que pueden ser distintos entre sí, por lo que podrán reaccionar con diferentes tipos de anticuerpos.

LOS ANTICUERPOS

Son una familia de glucoproteínas denominadas inmunoglobulinas (Ig), que se producen como respuesta a un antígeno específico y que se encuentran en la sangre, linfa y en las secreciones corporales.

Están compuestas por cuatro cadenas polipeptídicas. Cada anticuerpo (Ac) posee dos cadenas pesadas (H) iguales y dos ligeras (L), también idénticas, unidas entre sí por puentes disulfuro, constituyendo una estructura en forma de Y flexible. Las cadenas pesadas H tienen un oligosacárido unido covalentemente.

El entrelazamiento de una cadena pesada y una ligera genera en su extremo un sitio activo, capaz de reconocer a un antígeno, por lo que cada molécula de anticuerpo posee dos sitios de reconocimiento idénticos, uno en cada extremo de las dos ramas de la molécula.

Cada una de las cadenas tiene una región constante y una variable. Si se compara el anticuerpo con una llave, la región constante correspondería a la zona por la que se la sujeta, igual en todas las llaves, mientras que la región variable equivaldría a la parte que encaja específicamente en la cerradura, que sería el antígeno. Por ello, esta zona se denomina dominio de unión, mientras que la región constante se conoce como dominio efector, por ser la zona que activa a los fagocitos y al sistema del complemento.

Los mamíferos son capaces de fabricar millones de anticuerpos diferentes, pero estos difieren, esencialmente, en las cadenas ligeras que las componen y en la región variable de las cadenas pesadas. A pesar de tal diversidad, las inmunoglobulinas se clasifican en cinco clases, según las cadenas pesadas que formen su estructura: IgA, IgD, IgE, IgG, e IgM

REACCIONES ANTÍGENO-ANTICUERPO

Los anticuerpos reconocen a los agentes patógenos al unirse a los antígenos presentes en la superficie de éstos. La formación del complejo antígeno-anticuerpo puede activar una serie de reacciones defensivas diferentes:

- Aglutinación.- Los agentes patógenos poseen más de un antígeno en su superficie, por lo que suelen combinarse con varios anticuerpos y, cada anticuerpo, con más de un antígeno, originando aglutinaciones de complejos antígeno-anticuerpo.

- Neutralización.- Si el antígeno es una sustancia tóxica (toxina), la unión con el anticuerpo provoca su neutralización, de modo que deja de ser tóxico.

- Precipitación.- En este caso el antígeno se encuentra disuelto, y al unirse los anticuerpos a los antígenos se forman complejos moleculares en forma de redes tridimensionales que debido a su tamaño precipitan.

- Opsonización.- Los anticuerpos IgG e IgM activan el sistema del complemento. Las proteínas de este sistema, al ser activadas por los complejos Ag-Ac, recubren (opsonizan) a la célula invasora haciéndola más “sabrosa” a los fagocitos.. Las células opsonizadas atraen activamente a los fagocitos.

RESPUESTA HUMORAL

También conocida como inmunidad mediada por anticuerpos, ya que consiste básicamente en la síntesis de anticuerpos por los linfocitos B.

Los mamíferos presentan una enorme variedad de linfocitos B, cada uno de los cuales tiene en su superficie un anticuerpo diferente. Cuando un antígeno extraño penetra en el organismo, acaba encontrando un linfocito que posee el anticuerpo capaz de reaccionar con él. Esta unión al antígeno a través de los anticuerpos de su superficie estimula a los linfocitos B y provoca su división y diferenciación en dos clases de células:

- Células plasmáticas, que se pueden considerar como linfocitos B maduros. Su tamaño es mucho mayor que el de los linfocitos B inmaduros, ya que desarrollan un extenso retículo endoplasmático rugoso donde se sintetizan y exportan grandes cantidades de anticuerpos (puede producir más de 10 millones/hora).

Las células plasmáticas no salen de los nódulos linfáticos, sólo lo hacen los anticuerpos que producen. Estos anticuerpos viajan dispersos en el suero y llegan al área infectada a través de la linfa.

- Células de memoria.- Algunos linfocitos B se convierten en células de memoria que permanecen en la circulación y continúan originando pequeñas cantidades de anticuerpos mucho tiempo después de haber superado la infección.

De esta forma, el organismo puede reaccionar con más rapidez si vuelve a entrar en contacto con el mismo antígeno: en primer lugar, existirán en su plasma anticuerpos disponibles para reaccionar inmediatamente y destruirlo y, al mismo tiempo, las células de memoria se pueden dividir rápidamente y producir nuevas células plasmáticas.

El sistema de complemento está constituido por 18 proteínas presentes en el plasma sanguíneo y otros líquidos corporales. Se denomina así porque ayuda o complementa a los anticuerpos en la lucha contra la infección. Estas proteínas actúan uniéndose a los agentes patógenos y provocando su ingestión por los macrófagos, o destruyendo directamente a estas células al perforar poros en su membrana lipídica, con lo que el agua se precipita en su interior produciéndose lisis. El sistema de complemento no destruye las células propias del organismo debido a que éstas poseen en su membrana proteínas que lo inactivan.

Las proteínas del sistema de complemento son denominadas, a veces, factores humorales inespecíficos, ya que actúan sobre diferentes agentes patógenos, de forma contraria a los factores humorales específicos, los anticuerpos, que reaccionan frente a un único antígeno.

El proceso de activación del complemento puede iniciarse de dos formas:

- Vía clásica. La activación del complemento se produce por la aparición de anticuerpos unidos a los antígenos correspondientes. Debido a nece­sidad de anticuerpos este proceso está implicado en la inmunidad específica.

- Vía alternativa. En ella no es necesaria la presencia de anticuerpos, por lo que es importante en las primeras etapas de la infección cuando aún no se han producido éstos. La activación se desencadena al unirse algunos componentes del complemento a los polisacáridos que se encuentran en superficie de las bacterias. A diferencia de la anterior, esta vía está incluida únicamente en la inmunidad inespecífica.

La activación del complemento provoca la escisión del componente C3 en dos subunidades, C3a y C3b. Cada una de ellas tiene una acción diferente (C3a es un mediador de la inflamación y C3b es una opsonina).

Además de su función como opsonina, el componente C3b desencadena el proceso denominado vía terminal del complemento, en el que el compo­nente C5 se escinde dando lugar al C5a (otro mediador de la inflamación) y al C5b. A partir de éste, y tras varias etapas en las que se van activando y uniendo distintos componentes, se origina un complejo proteico (compuesto por 14 moléculas del componente C9) que se adhiere a la membrana bacte­riana y forma un canal que la perfora. Como consecuencia se produce la lisis celular.

La vía terminal del complemento participa también en la eritrolisis producida por incompatibilidad entre diferentes grupos sanguíneos tanto del sistema ABO como del sistema Rh.

RESPUESTA CELULAR

También llamada inmunidad mediada por células, se basa en la actividad de los linfocitos T y de los macrófagos.

Cuando un antígeno invade un organismo, los macrófagos lo fagocitan y digieren, fragmentándolo en pequeños péptidos. Los macrófagos van a sintetizar un complejo de proteínas denominado MHC (complejo principal de histocompatibilidad) que reconocen dichos fragmentos. Las moléculas MHC se unen a los péptidos y los transportan a la superficie del macrófago, permaneciendo allí hasta que son reconocidos por un linfocito T.

De manera similar, cuando una célula del organismo es infectada por un virus, sintetiza proteínas MHC que se unen a péptidos víricos y los trasladan a la superficie de la célula. Este mecanismo de señalización permite al sistema inmunitario detectar las infecciones ocultas en el interior de las células.

Los linfocitos T tienen en su membrana plasmática receptores especializados en reconocer esos fragmentos peptídicos extraños unidos a moléculas MHC en la superficie de otras células. Tal reconocimiento y unión al fragmento antigénico activa a la celula T, que responde dividiéndose y diferenciándose en distintos tipos de linfocitos T, que salen de los nódulos linfáticos y se dirigen hacia el área infectada. Las distintas células T se diferencian entre sí por las proteínas que poseen en su membrana y por la forma de actuar:

a) Los linfocitos T CD8, células asesinas (killer) o linfocitos T citotóxicos, reaccionan ante péptidos extraños situados sobre la superficie de cualquier célula del organismo, generalmente, fragmentos víricos en una célula infectada o proteínas mutantes en una célula cancerosa. Estos linfocitos se fijan sobre la superficie celular y destruyen a la célula infectada debido a que liberan e inyectan en las células:

- Citotoxinas, como la perforina que degrada la membrana celular.

- Citocinas, como el interferón gamma, que impide la replicación del virus.

- Linfocinas, que activan a otros elementos del sistema inmunitario, como los macrófagos que pueden fagocitar a la célula.

b) Los linfocitos T CD4, colaboradores o auxiliares, reconocen péptidos presentes en su superficie por los macrófagos o por otras células que capturan antígenos.

Cuando las células T CD4 son activadas por la unión a estos fragmentos antigénicos liberan una gran cantidad de linfocinas que estimulan la acción de otros linfocitos, promoviendo la proliferación de linfocitos T CD8 y linfocitos B, así como un aumento de la inflamación.

Células de memoria.- Cuando los linfocitos T son activados, no todas las células que se producen salen de la linfa, sino que algunas permanecen allí como células de memoria que se continúan dividiendo durante años. Así, si el microorganismo patógeno vuelve a invadir el organismo, estas células proliferarán rápidamente y lo destruirán antes de que se establezca y ocasione la enfermedad.

Como se ve, los distintos elementos del sistema inmune no actúan independientemente, sino formando un sistema interactivo perfectamente conjuntado. A esto se le conoce con el nombre de cooperación celular:

Algunas células fagocitarias, como los macrófagos, patrullan constantemente el organismo, ingiriendo antígenos y presentando segmentos de los mismos en su superficie. Estos fragmentos antigénicos estimulan la activación de los linfocitos T que, a su vez, mediante la producción de linfocinas, estimularán a los linfocitos B. Éstos últimos, al diferenciarse en células plasmáticas, sintetizan gran cantidad de anticuerpos solubles que, al unirse a los antígenos del microorganismo patógeno, promueven la acción de otras células y moléculas. Por un lado, activan el sistema de complemento, que puede destruir a la célula invasora, y, por otro, atraen a los macrófagos, granulocitos y otros leucocitos, que realizarán la limpieza de la zona fagocitando restos y células muertas.

MEMORIA INMUNOLÓGICA

La formación de células de memoria de todos los tipos de linfocitos que intervienen en la respuesta inmunitaria, tras un primer contacto con el antígeno (reacción inmune primaria), permite que la reacción inmunológica sea mucho más rápida en un segundo contacto, incluso, varios años después del primero (reacción inmune secundaria). Esto se comprueba midiendo las dosis de anticuerpos presentes en un organismo en ambas situaciones:

- Respuesta inmune primaria.- Tras la exposición al antígeno hay un breve periodo de latencia durante el cual éste es identificado y los linfocitos comienzan a multiplicarse, momento en el que la producción de anticuerpos sigue una fase logarítmica, durante varios días, hasta llegar a un nivel máximo. A partir de este momento, se inicia una fase de declinación durante la cual la concentración de anticuerpos va disminuyendo hasta alcanzar un nivel muy bajo. Los anticuerpos formados en esta primera reacción son del tipo IgM.

- Respuesta inmune secundaria.- En un posterior contacto, el periodo de latencia es más corto, la producción de anticuerpos, más rápida y mayor, y la fase de declinación, más lenta. En esta reacción secundaria, los anticuerpos que se sintetizan son las IgG o gammaglobulinas.

Igualmente, se ha comprobado que en una segunda exposición la afinidad de las anticuerpos por el antígeno es mucho mayor y la cantidad de antígeno necesaria para provocar la respuesta es mucho menor. A esto se le conoce como memoria inmunológica.

TIPOS DE INMUNIDAD

Se dice que un organismo es inmune a un determinado antígeno cuando es capaz de destruirlo o de desactivarlo sin sufrir ninguna patología.

Los mamíferos pueden obtener dicha inmunidad de manera natural o por medios artificiales. Además, la inmunización se puede deber a la síntesis de anticuerpos por el propio organismo, inmunización activa, o a la adquisición de los producidos por otro organismo, inmunización pasiva. Así, los tipos de inmunidad se clasifican en:

1) Inmunidad natural.- Puede ser activa o pasiva.

- I. N. Activa.- Se obtiene al contraer y superar una enfermedad. Se basa en la memoria inmunológica que se adquiere tras un primer contacto con el agente patógeno y se puede conservar durante muchos años. Así, por ejemplo, cuando una persona ha sufrido el sarampión durante la infancia, las células de memoria que se han formado la vuelven inmune a esa enfermedad para toda la vida.

- I. N. Pasiva.- Se adquiere de manera natural durante el desarrollo embrionario. En el hombre (como en todos los mamíferos), las IgG atraviesan la placenta y llegan al feto, y la primera secreción láctea o calostro contiene grandes cantidades de IgG e IgA. De esta forma, el recién nacido está protegido, de manera pasiva, durante unos seis meses, frente a muchos microorganismos patógenos mientras desarrolla totalmente su sistema inmunológico.

2) Inmunidad artificial.- También se clasifica en activa y pasiva.

- I.A. Activa.- Se consigue mediante la vacunación, es decir, la inoculación de un preparado artificial -vacuna- que contiene el microorganismo patógeno muerto o atenuado o su toxina, de tal forma que, aunque ha perdido su carácter patógeno, conserva su capacidad antigénica.

Al ser introducida la vacuna, el sistema inmunitario responde fabricando anticuerpos y células de memoria, es decir, consigue memoria inmunológica y, por tanto, inmunidad frente a ese agente patógeno concreto.

La vacunación se utiliza como medida preventiva de la enfermedad. Actualmente existen vacunas contra muchos patógenos (sarampión, tétanos, viruela, rabia, cólera, rubeola, polio, etc.) y se vacuna sistemáticamente a toda la población. Así se ha conseguido erradicar totalmente algunas enfermedades, como la viruela el 25 de mayo de 1996.

- I.A. Pasiva.- Se adquiere mediante la sueroterapia, que consiste en la inyección de un suero que contiene los anticuerpos específicos contra una determinada enfermedad formados por otro organismo.

Se utiliza como medida curativa, cuando el individuo ha contraído la enfermedad y necesita anticuerpos para combatirla inmediatamente. No obstante, sus efectos no son duraderos, ya que el sistema inmune no entra en funcionamiento y por tanto no se fabrican células de memoria.

Inicialmente se usaban sueros sanguíneos de animales (caballos, cabras, etc.) previamente infectados con el agente patógeno. Se les inyectaba el microorganismo en dosis crecientes para que respondieran fabricando grandes cantidades de anticuerpos que pasaran a su sangre. Ésta era extraída y filtrada para obtener el suero. Sin embargo, en ese suero había proteínas del animal donador que podían desencadenar en el paciente una respuesta inmune. Por ello, hoy se extrae y purifica del suero sólo la fracción de inmunoglobulinas que no actúa como antígeno.

Actualmente se dispone de gammaglobulinas contra muchos microorganismos patógenos: tétanos, rubeola, botulismo, hepatitis, escarlatina, etc. Y sustancias tóxicas, como algunos venenos de serpientes.

PATOLOGÍAS RELACIONADAS CON EL SISTEMA INMUNITARIO

El sistema inmunitario en determinados momentos no es perfecto, pues en ocasiones muy concretas desencadena respuestas muy intensas, dando lugar a fenómenos de hipersensibilidad que se manifiestan a través de alergias, choques anafilácticos y enfermedades autoinmunes.

Otras veces, sencillamente, no hay respuesta, bien por la entrada en el organismo de un agente infeccioso, como es el caso del SIDA, bien por causa genética, como ocurre con los “niños burbuja”

1- HIPERSENSIBILIDAD

En ocasiones se produce unas serie de reacciones inmunitarias que son perjudiciales para el propio organismo que en conjunto se denominan hipersensibilidad, siendo las más comunes las reacciones alérgicas y las enfermedades autoinmunes.

11.- ALERGIAS

La alergia es una respuesta del sistema inmunitario ante determinadas sustancias que, normalmente, no presentan efectos perjudiciales. Las causas más importantes parecen ser el aumento de la contaminación, el uso de aditivos alimentarios o la bajada de defensas que produce el estrés.

Las sustancias que producen las alergias se llaman alergenos, y su naturaleza es variada: polen, sustancias químicas, ciertos alimentos, determinados fármacos, venenos de insectos, polvo, pelo de animales, etc. Los alergenos introducidos en la sangre pueden provocar anafilaxis.

El proceso alérgico comienza con la sensibilización del organismo, al entrar por primera vez el alergeno, el cual es digerido por los macrófagos que, posteriormente, muestran los fragmentos resultantes en su superficie celular.

Los linfocitos T reconocen algunos de estos fragmentos y se unen a ellos, secretando linfocinas que causan la maduración de linfocitos B vecinos, los cuales se transforman en células plasmáticas productoras de anticuerpos IgE. Estas inmunoglobulinas se fijan a receptores específicos de la superficie de los mastocitos (células grandes localizadas en los tejidos conectivos cercanos a los vasos sanguíneos).

En un segundo contacto con el alergeno, sus moléculas se unen a los anticuerpos IgE de los mastocitos, provocando la liberación por parte de éstos de sustancias químicas que inducen los síntomas típicos de la alergia, entre las que destacan la histamina y la serotonina que en conjunto, dilatan los vasos e incrementan la permeabilidad de los capilares, lo que produce un enrojecimiento e hinchazón de la zona afectada. En otras ocasiones estimulan la secreción de moco, contraen la musculatura lisa que envuelve a los bronquios, etc.

Puesto que es casi imposible prevenir las alergias, el tratamiento inmediato una vez producida es administrar antihistamínicos, que compiten con las histaminas por los receptores de membrana de las células diana.

Otra posibilidad, a largo plazo, es la desensibilización (vacunación) que consiste en administrar dosis gradualmente mayores de antígeno a la persona alérgica, lo que estimula la producción de anticuerpos IgG circulantes que interceptan al alergeno impidiendo su unión con los IgE en los tejidos. Esto provoca una reacción inmune de menor intensidad que la alérgica.

Un tipo extremo de respuesta alérgica es la anafilaxia, caracterizada por afectar a todo el organismo y que puede llegar a producir la muerte por shock anifiláctico. Ocurre con frecuencia ante medicamentos específicos, como la penicilina, o sustancias presentes en los venenos de ciertos animales.

La diferencia fundamental respecto a una reacción alérgica típica consiste en que la liberación de sustancias por los mastocitos es “explosiva”, y provoca vasodilatación extrema y aumento exagerado de la permeabilidad capilares, perdiéndose tal cantidad de plasma que el choque circulatorio causa la muerte en cuestión de minutos.

12.- AUTOINMUNIDAD

En condiciones normales, el sistema inmunitario es capaz de reconocer las moléculas y los tejidos propios. Sin embargo, en algunas ocasiones desaparece esa tolerancia, produciéndose una respuesta inmune contra él mismo: es la llamada autoinmunidad.

La autoinmunidad es la responsable de enfermedades como:

- La esclerosis múltiple, que afecta a la sustancia blanca del cerebro y a la médula espinal.

- La artritis reumatoide, que afecta al tejido conjuntivo de las articulaciones.

- La diabetes mellitus juvenil, que daña las células ð del páncreas.

- El lupus eritematoso sistémico, que destruye las plaquetas, riñones y otros órganos, y

- La esterilidad espontánea, que afecta a los espermatozoides.

Las causas de la autoinmunidad son desconocidas hasta ahora.

2- SIDA: EL VIRUS DEL SIDA (VIH)

Es un retrovirus del tipo de los lentivirus. Tiene forma esférica y presenta una envoltura externa, como la mayoría de los virus animales, dentro de la cual se localiza la cápsida, que contiene el material genético.

La envoltura externa está formada por una bicapa de fosfolípidos que presenta la estructura típica de todas las membranas biológicas. En esta bicapa se encuentran dos glucoproteínas virales:

- gp41, anclada a la membrana, y la

- gp120, que se une a la anterior.

En el interior de esta envoltura está la matriz, compuesta por la proteína p17, que rodea a la cápsida proteica la cual tiene forma cónica y está constituida, a su vez, por la proteína p24. En su interior se encuentra el ARN en forma de dos copias idénticas, y, unida a cada una de ellas, una molécula de ARNt que actúa como cebador en la síntesis de ADN, y algunas copias de transcriptasa inversa. Además, hay otras proteínas como la proteasa, la integrasa y las proteínas de la nucleocápsida p9 y p6.

Se ha secuenciado completamente el genoma del VIH y se ha comprobado que tiene tres genes, característicos de todos los retrovirus, el gag, el pol y el env, y otros genes accesorios.

CICLO DE LA INFECCIÓN DEL VIH

El VIH infecta células que posean en su membrana la proteína CD4 (como un tipo de linfocitos T y los macrófagos), a la que se une la glucoproteína gp120. el ciclo de infección, de tipo lisogénico, tiene dos fases:

Fase temprana.- Comprende desde el anclaje del virus hasta la integración de su genoma en el de la célula. El mecanismo de retrotranscripción es muy complejo, pero se resume en que la transcriptasa inversa es capaz de utilizar las dos copias de ARN vírico y el ARNt cebador para sintetizar una doble cadena de ADN, que es transportado por un complejo de proteínas al núcleo celular, allí, mediante la acción de la integrasa viral, es insertado en el genoma de la célula, constituyendo el provirus.

En la mayoría de las células la infección se detiene en este momento, entrando en una fase de latencia vírica, que puede durar años. En algún momento se activa y prosigue el ciclo infectivo.

Fase tardía.- Se inicia con la transcripción del genoma del provirus. Los ARN transcritos son traducidos, de forma que se van sintetizando muchas copias de proteínas víricas. Las proteínas de la envoltura migran hacia la membrana de la célula y se introducen en su estructura, lo que origina en ella una pequeña protuberancia. El resto de las proteínas y más copias del ARN del virus migran también a estas zonas, de donde los nuevos virus por gemación. El ensamblaje de las partículas víricas se produce ya en el interior de la envoltura. El brote de nuevos virus mediante este sistema hará que la membrana del linfocito se desintegre y muera.

Durante esta etapa, el individuo infectado desarrolla la enfermedad, o SIDA propiamente dicho.

DESARROLLO DE LA ENFERMEDAD

El virus penetra en el organismo por vía sanguínea o sexual y se multiplica activamente durante las tres a seis primeras semanas. Durante este periodo el individuo presenta una gran cantidad de virus en sangre y, como consecuencia, hay una respuesta del sistema inmunitario, tanto humoral como celular, que provoca la desaparición casi total del VIH en la sangre. Sin embargo, una pequeña proporción permanece acantonado en ciertos órganos, principalmente en los ganglios linfáticos y en el bazo.

La infección entra así en una fase de latencia clínica que puede durar más de diez años y en la que, aunque no hay síntomas aparentes de la enfermedad, algunos virus se siguen replicando. Por ello. A pesar de ser una fase asintomática, el número de linfocitos T CD4 del individuo va disminuyendo lentamente. Durante esta fase se dice que la persona afectada es seropositiva, y, aunque no presente síntomas, puede infectar a otras personas.

Mientras la persona puede reemplazar las células muertas, no se manifiesta la enfermedad, pero el sistema inmune se va deteriorando progresivamente, hasta que se alcanza una inmunodepresión (el sistema inmune casi no existe) y se desarrolla clínicamente el SIDA.

A causa de la inmunodeficiencia, el paciente sufre cada vez mas ataques que no puede combatir, aunque sean leves (enfermedades oportunistas), las cuales, en muchas ocasiones, causan la muerte. Las victimas pueden incluso desarrollar tumores como el sarcoma de Kaposi y los linfomas.

LUCHA CONTRA EL SIDA

- PREVENCIÓN: relaciones sexuales seguras y evitar el contacto sanguíneo. No se transmite por contacto con saliva, sudor o lágrimas.

Se investiga en la obtención de una vacuna utilizando la gp120, pero aún no se ha conseguido.

- TRATAMIENTO:

- Compuestos antivirales como la azidotimidina (AZT).

- Inhibidores de la proteasa.

- Análogos de sustrato, diseñados por ordenador y que actúan contra la proteasa y la transcriptasa inversa

3- RECHAZO DE ÓRGANOS TRASPLANTADOS

Los primeros trasplantes (1900) fueron las transfusiones sanguíneas (recordar los grupos sanguíneos) que en muchos casos desencadenaban crisis e incluso la muerte.

Grupo sanguíneo	Ag sobre G. Rojos	Ac en plasma	Puede donar a	Puede recibir de
A	A	Anti-B	A, AB	O, A
B	B	Anti-A	B,AB	O, B
AB	A y B	NINGUNO	AB	O, A, B, AB
O	NINGUNO	Anti-A y Anti-B	O, A, B, AB	O

Más tarde se realizaron trasplantes de piel y otros órganos que, en algunos casos eran rechazados.

Todas las células presentan en su superficie los llamados antígenos de histocompatibilidad (HLA), específicos de cada individuo. Los tejidos de la misma persona o de gemelos idénticos poseen los mismos antígenos y, por tanto, son compatibles. Cuando se toman tejidos u órganos de un donante y se trasplantan a otra persona, lo más probable es que varios de estos antígenos sean diferentes. En estos casos, el sistema inmunitario del receptor considera que el trasplante es extraño y reacciona contra él, siendo eliminado por los linfocitos T en cuestión de días: se produce rechazo.

Excepto en el caso de gemelos idénticos, es imposible encontrar compatibilidades totales, por lo que, para impedir el rechazo, se debe someter al receptor a un tratamiento inmunodepresor a base de medicamentos o rayos X que eliminen los linfocitos T.

Estos tratamientos presentan muchas contraindicaciones, ya que, al no ser selectivos, eliminan todo tipo de linfocitos, con lo que el paciente puede ser atacado por muchos microorganismos contra los que no va a reaccionar su sistema inmune. Por ello, no es raro la proliferación de tumores en enfermos trasplantados.

Algunos órganos pueden se trasplantados con facilidad por presentar pocas probabilidades de rechazo, por ejemplo, el útero o la córnea. Actualmente se realizan con éxito gran cantidad de trasplantes, entre los que destacan: trasplantes de piel, córnea, riñón, corazón, páncreas, médula ósea e hígado.

En el metabolismo, cuando una sustancia se oxida pierde 2 átomos de hidrógeno, de los que 2 e- y 1 H+ se añaden al NAD o NADP y el otro H+ se libera al espacio circundante: NAD ------- NADH + H+

Libro Ecir, pag 303

La nucleocápsida es el conjunto formado por el ácido nucleico y la cápsida

Ampliar lo referente a envolturas bacterianas e importancia biológica de las bacterias.

Hay que diferenciar entre fermentación y fermentación industrial. La fermentación industrial es el proceso por el que se obtienen grandes cantidades de un producto microbiológico; se realiza en aparatos llamados, en general, fermentadores.

En 1885 Louis Pasteur desarrollo la primera vacuna contra la rabia utilizando virus atenuados.

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