Camino Peláez - IES Alfonso II
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Camino Peláez Camino Peláez BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales TEMA 1: BIOELEMENTOS Y BIOMOLÉCULAS: EL AGUA Y LAS SALES MINERALES Bioelementos. Características atómicas del carbono. Grupos funcionales. Estereoisomería. Interacciones moleculares. Enlaces. Monómeros y polímeros. Biomoléculas. Biomoléculas inorgánicas: El agua. Las sales minerales. 1.- BIOELEMENTOS O ELEMENTOS BIOGÉNICOS Son los elementos que forman parte de los seres vivos. Se pueden clasificar en: A. Bioelementos primarios: C, H, O, N, P y S. Representan alrededor del 96% del total y forman parte de la práctica totalidad de las moléculas biológicas. Todos estos elementos tienen en común las siguientes características: - Se encuentran en las capas más externas de la Tierra (corteza, atmósfera, hidrosfera). - Son de bajo peso atómico y tienen (casi todos) entre 4 y 6 electrones en la última capa, por lo que forman con facilidad enlaces covalentes estables. - La mayoría de los compuestos químicos formados por estos elementos presentan polaridad, por lo que fácilmente se disuelven en agua, lo que facilita tanto su incorporación como su eliminación a un organismo. - El C y el N presentan la misma afinidad para unirse al oxígeno y al hidrógeno, es decir, pasan con facilidad del estado oxidado (CO2, NO3H) al reducido (CH4, NH3) y viceversa; esto es la base de los procesos REDOX que son el principio fundamental sobre el que se asientan muchos procesos metabólicos. B. Bioelementos secundarios: Na, K, Ca, Mg y Cl. En medio acuoso se encuentran siempre ionizados (Na+, K+, Ca2+, etc). Aunque se encuentran en menor proporción que los primarios, son imprescindibles y forman parte de todos los seres vivos. C. Oligoelementos: se encuentran en los seres vivos en cantidades insignificantes (inferiores al 0,1%) pero realizan un papel transcendente, indispensable para el desarrollo normal de algunas funciones vitales, ya que su función en las células no es estructural, si no catalizadora. No son los mismos en todas las especies. Algunos ejemplos: - Fe: forma parte de la hemoglobina (transporte de O2) y de los citocromos (transporte de electrones). - Cu: forma parte de la hemocianina (transporte de O2). - Zn: forma parte de algunos enzimas. - Mn: necesario para la síntesis de clorofila. - I: forma parte de la hormona tiroxina (tiroides). - F: forma parte del esmalte de los dientes. - Co: forma parte de la vitamina B12. D. Otros bioelementos (Al, Li, etc) aparecen en cantidades insignificantes y no en todas las especies; desempeñan diferentes funciones en el metabolismo y la fisiología de los seres vivos. 2. CARACTERÍSTICAS ATÓMICAS DEL CARBONO El carbono tiene de número atómico 6 y pertenece al segundo período de la tabla periódica. Su estructura atómica, por lo tanto, es 1S2 2S2 2P2. En principio se puede pensar que funcionaría con valencia II porque sólo dispone de dos electrones desapareados, pero cumpliendo el principio de la máxima simplicidad o regla de Hund (los electrones que ocupan un orbital de la misma energía se hallan desapareados al máximo) un electrón del orbital 2S2 pasa a ocupar el lugar 2Pz y por lo tanto, el átomo de carbono pasa a tener cuatro electrones desapareados y valencia IV. Por ello puede formar cuatro enlaces covalentes con otros tantos átomos que pueden ser carbonos u otros elementos como H, N, O, etc. Los cuatro electrones desapareados de la última capa están situados en orbitales que, para mantenerse lo más alejados entre sí, se disponen en una configuración tetraédrica. Por ello el átomo de carbono se puede imaginar como un tetraedro con el núcleo en el baricentro y los orbitales con electrones desapareados dirigiéndose hacia los vértices. IES Alfonso II Camino Peláez 1 BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales Un carbono puede unirse con muchos otros carbonos formando cadenas lineales, ramificadas o cíclicas. Los enlaces pueden ser simples, dobles o triples; los dobles y triples son bastante más débiles que los simples y tienden a romperse fácilmente. Los carbonos unidos por enlace doble o triple no tienen libertad de giro. 3. GRUPOS FUNCIONALES Si los enlaces libres de una cadena de carbonos se completan con hidrógenos se forman los hidrocarburos. Pero con frecuencia aparecen átomos de otros elementos y se forman los grupos funcionales: son agrupaciones atómicas que confieren propiedades características a las moléculas que las poseen: GRUPO FUNCIONAL -OH Hidroxilo FÓRMULA GENERAL R-OH -CHO Carbonilo (aldehido) FAMILIA EJEMPLO COMPUESTO Alcoholes CH3-CH2-OH ETANOL R-CHO Aldehidos CH3-CHO ETANAL -C-CO-C- Carbonilo (cetona) R-CO-R Cetonas CH3-CO-CH3 PROPANONA (acetona) -COOH ácido o carboxilo R-COOH Ácidos CH3-COOH ÁC. ETANOICO (acético) -NH2 amino R-NH2 Aminas CH3-CH2-NH2 ETILAMINA -CONH2 amida R-CO-NH2 Amidas CH3-CO-NH2 ETILAMIDA -CO-O-C- éster R-CO-O-R´ Ésteres CH3-CO-O-CH3 ETANOATO DE METILO -SH sulfhidrilo R-SH Tioles CH3-CH2-SH ETANOTIOL 4. ISOMERÍA Se dice que dos compuestos orgánicos son isómeros cuando tienen la misma fórmula empírica pero diferentes propiedades. Esto es, constan de los mismos elementos químicos y el mismo número de átomos de cada elemento pero unidos de manera diferente. Por tener diferentes propiedades se trata de compuestos distintos, por lo que su nombre y la fórmula desarrollada no pueden ser los mismos. Por ejemplo la glucosa y la fructosa, ambas tienen como fórmula empírica C6H12O6. Pero su fórmula desarrollada es bien diferente (ver margen). 4.1. Clases de isomería: Estructural a) de posición b) de función c) de cadena Estereoisomería (espacial) a) Cis-trans (geométrica) b) Diastereoisomería (óptica) Los isómeros estructurales presentan propiedades físicas y químicas muy diferentes pero los estereoisómeros difieren en sus propiedades mucho menos. Las isomerías que presentan mayor importancia en la materia viva son: - Isomería de posición: los isómeros se diferencian en la posición de un determinado grupo funcional que forma parte de la cadena carbonada. Por ejemplo, un alcohol primario de uno secundario, con el mismo número de carbonos, o el caso ya expuesto de la glucosa y la fructosa. - Isomería cis-trans o geométrica: los isómeros poseen los mismos grupos funcionales, situados además en los mismos carbonos, pero en posiciones distintas respecto al plano de la molécula. Este tipo de isomería es característica de moléculas con dos átomos de carbono unidos por un doble enlace (los dobles enlaces son rígidos, no tienen libertad de giro). 2 IES Alfonso II Camino Peláez ác. maléico (forma cis) ác. fumárico (forma trans) BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales - Diastereoisoméria o isomería óptica: es propia de compuestos que tienen algún átomo de carbono asimétrico (unido a cuatro radicales diferentes). En estos casos la molécula no tiene plano de simetría y la simple alteración en su disposición espacial de dos de los radicales unidos al carbono asimétrico, da lugar a una molécula de características ópticas diferentes. Los isómeros ópticos que son la imagen especular uno del otro (no pueden superponerse) se denominan enantiómeros o enantiomorfos. Dos enantiómeros tienen de las mismas propiedades químicas, aunque reaccionan a diferente velocidad con reactivos asimétricos; también difieren en que desvían el plano de la luz polarizada en sentidos diferentes. Reciben el mismo nombre, precedido por la letra D (si el grupo funcional que determina la isomería está a la derecha) o L (si está a la izquierda): son las formas D y L de la misma molécula. Cada diastereoisómero, tanto D como L, desvía el plano de la luz polarizada que incida sobre él un ángulo determinado característico para cada compuesto (que varía con la concentración y con el espesor de la muestra). Si lo desvía en el sentido de las agujas del reloj (hacia la derecha) se dice que ese compuesto es dextrógiro y se le añade el signo (+) a su nombre; si lo desvía en el sentido contrario a las agujas del reloj (hacia la izquierda) se dice que es levógiro y se le añade el signo (-) a su nombre. En los monosacáridos que tienen más de un carbono asimétrico, por acuerdo internacional se reserva el nombre de forma D y forma L para indicar la posición del grupo -OH más alejado del grupo carbonilo; por tanto este nombre (D o L) no está necesariamente relacionado con el sentido en el que estos compuestos desvían el plano de la luz polarizada. Una mezcla equimolecular de dos enantiómeros es ópticamente inactiva (el ángulo de desviación hacia la izquierda es exactamente el mismo que a la derecha y por lo tanto el resultado es 0º); dicha mezcla se conoce con el nombre de mezcla racémica, o simplemente compuesto racémico. El número máximo de isómeros ópticos de un compuesto depende directamente de su número de carbonos asimétricos según la relación: nº de isómeros óptico máximo = 2n . (siendo n el nº de carbonos asimétricos de la molécula). En los monosacáridos, de los 2n isómeros posibles de una molécula, la mitad son de la serie D y la otra mitad de la serie L. Las moléculas que, disponiendo de varios carbonos asimétricos, difieren sólo en la posición de los sustituyentes de uno de ellos, y que, por tanto, no son una la imagen especular una de otra, se dice que son epímeros. Ver ejemplos al margen: Todos ellos son isómeros ópticos unos de otros, el primero y el segundo son un par de enantiómeros y lo mismo ocurre con el tercero y el cuarto. El segundo y el tercero, que sólo difieren en la situación del -OH del carbono 3, serán epímeros. ¿Qué relación existe entre el primero y el tercero? ¿Y entre el primero y el cuarto? 5. INTERACCIONES MOLECULARES: LOS ENLACES. Fuertes Enlace covalente (de 50 a 200 Los materiales biológicos son una mezcla compleja de compuestos Kcal/mol) químicos, tanto orgánicos como inorgánicos, unos son muy pequeños como el ion H+ , otros muy grandes como los ácidos nucleicos. Todos Enlace iónico ellos interaccionan entre sí. La principal de las interacciones es la Enlace de reacción química, caracterizada por la transformación química de las hidrógeno Débiles sustancias que intervienen en ella. El conjunto de todas las reacciones (de 1 a 5 Fuerzas de Van der químicas que tienen lugar en un ser vivo o en una célula es el Kcal/mol) Waals metabolismo. Otros tipos de interacciones son las diferentes uniones que establecen entre sí los átomos o las moléculas, o las distintas partes de Interacciones una molécula para adquirir mayor estabilidad; estas interacciones se hidrofóbicas conocen con el nombre de enlaces. Los enlaces son, por tanto, las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos que forman parte de una molécula, o que mantienen unidas a dos o más moléculas diferentes que forman parte de un complejo macromolecular. En la materia viva son importantes los enlaces señalados en el cuadro (sobre estas líneas). IES Alfonso II Camino Peláez 3 BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales 5.1. Enlace covalente Se forma cuando dos átomos electronegativos no metálicos comparten electrones, de manera que cada uno adquiere la configuración de un gas noble. Si comparten un par de electrones el enlace es sencillo, doble si comparten dos pares y triple si comparten tres pares. Si los átomos que se unen son del mismo elemento o de elementos de parecida electronegatividad, los electrones se comparten de un modo equitativo; se trata de un enlace covalente apolar (Ej. C - H). Si los átomos que se unen son distintos y poseen una moderada diferencia de electronegatividad, los electrones se comparten de forma desigual; se trata de un enlace covalente polar (Ej. Cl - H). La electronegatividad es la capacidad para atraer electrones y es diferente para cada elemento; a mayor electronegatividad, más fuerza de atracción a los electrones. La diferencia de electronegatividad es mayor en el enlace covalente polar que en el apolar, pero es aún mayor en el enlace iónico. En la molécula de HCl el cloro es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones compartidos. La probabilidad de que los electrones se encuentren cerca del Cl es mayor que la de que se encuentren cerca del H; la molécula está polarizada: tiene carga parcial negativa sobre el átomo de Cl y carga parcial positiva sobre el átomo de H. El enlace covalente polar da lugar a moléculas polares que son solubles en agua y es de suma importancia en la formación de las estructuras celulares. 5.2. Enlace iónico Se forma entre átomos que difieren mucho en su electronegatividad. Consiste en la transferencia de electrones de la capa más externa desde un átomo al otro. Ej: El Cl (Z = 17) necesita un electrón para completar su nivel energético. El Na (Z = 11) posee un sólo electrón en su capa más externa. Este electrón es atraído con fuerza por el átomo de Cl y salta desde el Na al Cl, con el resultado de que ambos elementos completan sus niveles energéticos y adquieren carga eléctrica ionizándose. El ión Na+ es atraído por el ión Cl- y se forma el NaCl. El enlace iónico en la materia viva es considerado como débil debido a que en la célula todas las moléculas se encuentran inmersas en agua, y por lo tanto ionizadas cuando esta ionización es posible. El agua, que es una molécula dipolar, interrumpe fácilmente los edificios moleculares formados con moléculas o átomos ionizados y establece con ellas "puentes de hidrógeno" o interacciones de Van der Waals que rompen los enlaces iónicos. Las sales minerales como por ejemplo los carbonatos, cloruros, fosfatos, etc, están formadas por enlaces iónicos que en medio acuoso se disocian e ionizan fácilmente. La presencia de estos iones en la materia viva es básica en la regulación de la presión osmótica, del pH, de la contracción muscular, conducción del impulso nervioso, etc. 5.3. Enlace de hidrógeno (o puente de hidrógeno) Es una débil atracción electrostática. Se forma entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno que a su vez está unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Este tipo de enlace sólo es posible con los átomos más electronegativos y más pequeños como son F, O y N. Estos enlaces son posibles porque, al tratarse de moléculas muy polares, el H queda desnudo de electrones y con carga parcial positiva mientras que los otros átomos (F, O ó N) quedan con carga parcial negativa y atraen al H con fuerza suficiente para formar un enlace. El átomo que atrae al hidrógeno se llama aceptor, el que cede el hidrógeno dador. Los aceptores son siempre los átomos más pequeños y electronegativos, como F, O y N. Los dadores suelen ser grupos alcohólicos (-OH), grupos carboxilos (-COOH) o el agua (H2O). El enlace de hidrógeno puede ser: - Intermolecular: las moléculas que se unen pueden ser iguales (agua-agua) o distintas (agua-fluorhídrico). - Intramolecular: entre los átomos de una macromolécula (como proteínas, ácidos nucleicos, etc.). Aunque el enlace de hidrógeno es un enlace débil, la cooperación de un gran número de estos enlaces da como resultado una fuerte atracción. La realidad es que al enlace de hidrógeno se deben muchas de las propiedades y estructuras de la materia viva: el comportamiento del agua, la conformación tridimensional de las proteínas y de los ácidos nucleicos, etc. 4 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales 5.4. Fuerzas de Van der Waals Son fuerzas de atracción muy débiles. No se puede asegurar a ciencia cierta a qué se deben y posiblemente con este nombre se designan distintos tipos de uniones débiles. Se trata de fuerzas inespecíficas entre moléculas polares o polarizadas debido a sus cargas eléctricas fluctuantes y son más débiles que el enlace de hidrógeno. Son independientes de la presencia de oxígeno o hidrógeno. Sólo se forman entre moléculas grandes y, por ejemplo son las responsables del acoplamiento entre superficies moleculares complementarias como son las uniones enzima-sustrato o la interacción antígeno-anticuerpo. 5.5. Interacciones hidrofóbicas Al contrario que las anteriores, ocurren entre moléculas no polares. Estas moléculas, que son insolubles en agua, al encontrarse en un medio acuoso (y en los seres vivos el medio siempre es acuoso), tienden a agruparse. En parte este agrupamiento está impulsado por la especial disposición de las moléculas de agua que, mediante enlaces de hidrógeno, se encuentran en grupos de dos, tres o cuatro y empujan a las moléculas no polares hasta agruparlas. Por otra parte este tipo de interacciones es muy importante para explicar la formación de las membranas biológicas y el plegamiento tridimensional de las proteínas. 6. MONÓMEROS Y POLÍMEROS En la materia viva aparecen con mucha frecuencia grandes moléculas a las que se llama macromoléculas. Son estructuras como el almidón, la celulosa, el ADN, las proteínas, los terpenos, etc. Todas estas grandes moléculas están formadas por la repetición de otras más pequeñas que se mantienen unidas mediante los distintos tipos de enlaces. Esto es la base de la enorme complejidad de la materia orgánica. Las grandes moléculas que se forman de esta manera, por repetición de otras más pequeñas, reciben el nombre general de polímeros, mientras que las moléculas-unidad que repitiéndose muchas veces dan lugar a estos polímeros reciben el nombre de monómeros. Así, por ejemplo, las proteínas son unos polímeros formados por la unión de aminoácidos, que son sus monómeros; el almidón es un polímero formado por la repetición de muchas maltosas que son los monómeros. Inorgánicos Orgánicos 7. BIOMOLÉCULAS - Glúcidos Los bioelementos se unen entre sí para formar moléculas. Estas - Agua - Lípidos moléculas, que pueden aislarse en la materia viva por sencillos - CO2 , O2 - Proteínas procedimientos físicos de análisis, son las biomoléculas o principios - Sales minerales - Ác. nucleicos inmediatos. Los biocatalizadores son sustancias COMPONENTES MOLECULARES DE LA CÉLULA imprescindibles para los seres vivos y que se (en % sobre la masa total) encuentran formando parte de las células en Procariotas Eucariotas cantidades muy pequeñas. Químicamente son Biomoléculas 3 3 Glúcidos heterogéneos y se pueden incluir en los grupos 4,5 2 arriba mencionados, es decir, algunos son Lípidos 18 15 Proteínas proteínas, otros lípidos, etc. Sin embargo, Ácidos nucleicos teniendo en cuenta su gran importancia 1,25 6 ARN biológica, lo más frecuente y recomendable es 0,25 2 ADN estudiarlos aparte. Son biocatalizadores las 2 1 Precursores vitaminas, las hormonas y los enzimas. 70 70 Agua 1 1 Sales minerales 8. EL AGUA Es la biomolécula más abundante en las células y está ampliamente difundida en la corteza terrestre, cubre las 3/4 partes de la superficie de la Tierra. Constituye aproximadamente el 70% del peso de las células. La cantidad de agua por célula depende de las especies: las acuáticas poseen un mayor porcentaje que las terrestres; las medusas, por ej., tienen un 95% de su peso en agua. La cantidad de agua en la especie humana depende de varios factores como por ejemplo la edad: los individuos más jóvenes tienen más agua, y también del órgano o tipo de tejido. En general a mayor actividad metabólica, mayor proporción de agua (en la corteza cerebral el 90% y en el tejido adiposo entre un 10 y un 20%). IES Alfonso II Camino Peláez 5 BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales En los seres vivos se distingue el agua intracelular (2/3 del total aproximadamente) y el agua extracelular (1/3 restante). El agua extracelular está constituida por el agua intersticial (que baña las células tisulares) y el agua circulante (sangre, savia, linfa, etc.). La vida en la Tierra empezó en el mar y este hecho es el causante de que todos los organismos vivos hayan ido diseñándose alrededor de las propiedades características del agua tales como: su carácter polar, sus elevados puntos de fusión, ebullición y calor específico o su elevada tensión superficial. El ahorro del agua ha sido una de las presiones evolutivas más importantes en el desarrollo de las especies. La conquista de los hábitats terrestres se consiguió con el diseño de organismos capaces de formar medios internos con gran capacidad para la conservación y el ahorro del agua. 8.1. Estructura química del agua: polaridad La molécula de agua está formada por un átomo de oxígeno unido mediante enlaces covalentes polares a dos átomos de hidrógeno. Los enlaces O ̶ H forman un ángulo de 104,5º. Aunque la molécula tiene una carga total neutra (nº de electrones = nº de protones), los electrones están distribuidos asimétricamente porque el oxígeno, al ser mucho más electronegativo que el hidrógeno, atrae con mayor efectividad a los electrones de los enlaces covalentes (recuerda que son enlaces covalentes polares) con el resultado de que los hidrógenos, en la práctica, quedan desnudos de electrones y por tanto con carga parcial positiva, al mismo tiempo que el oxígeno se queda con carga parcial negativa. El resultado final es que la molécula de agua está claramente polarizada, con dos polos de diferente carga eléctrica: la zona cercana a los hidrógenos tiene carga positiva y la zona cercana al oxígeno tiene carga negativa: LA MOLÉCULA DE AGUA ES UNA MOLÉCULA DIPOLAR. La polaridad de la molécula de agua, que es consecuencia de su estructura, es a su vez la causa de las propiedades físico-químicas del agua ya que da lugar a diversos tipos de interacciones moleculares. Estas propiedades, a su vez, determinan sus funciones biológicas y justifican la presencia del agua y su importancia en los seres vivos. Las principales propiedades del agua se estudian a continuación. 8.2. Cohesividad Como consecuencia de su estructura dipolar, las moléculas de agua interaccionan entre sí mediante enlaces de hidrógeno que se producen como consecuencia de la atracción electrostática entre los hidrógenos y los oxígenos de las diferentes moléculas que comparten un espacio. De esta manera se unen las moléculas de dos en dos, de tres en tres y hasta de ocho en ocho de vez en cuando. El resultado es una red tridimensional de moléculas que es la responsable de que, a pesar de ser una molécula de bajo peso molecular, el agua sea un líquido y no un gas como les ocurre a otras moléculas de tamaño comparable (CO2, SH2, NH3, CH4, etc.). Por otra parte los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua están destruyéndose y formándose continuamente y de esta manera el agua conserva su extraordinaria fluidez. Aunque se sabe que un enlace de hidrógeno aislado resulta muy débil, los miles de enlaces establecidos entre las moléculas del agua líquida originan potentes fuerzas intermoleculares que la dotan de una gran cohesividad (o cohesión interna) de tal manera que unas moléculas arrastran a otras en su movimiento. De esta naturaleza cohesiva del agua derivan otras muchas propiedades o características como son: - Densidad y propiedades del hielo Debido a la ordenación casi tetraédrica de los electrones alrededor del átomo de O, cada molécula de agua es capaz de unirse potencialmente con otras cuatro moléculas vecinas (mediante enlaces de H). Esto ocurre en el hielo, en el que los cuatro enlaces de H alrededor de una molécula de agua tienen disposición tetraédrica. En el agua líquida el nº de enlaces de H es menor; a 0º C cada molécula de agua está unida por término medio a otras 3,6 moléculas de agua. Por ello la densidad del agua decrece por debajo de 4oC y el hielo flota sobre el agua líquida. Es la única sustancia que en estado sólido es menos densa que en estado líquido. Por este motivo, cuando la temperatura ambiente es muy baja, en los lagos, mares, etc, se forma una capa superficial de hielo más o menos espesa que protege de la congelación a las capas inferiores donde pueden continuar desarrollándose los procesos vitales, es decir pueden mantenerse vivos los organismos que habitan ese lago o mar. - Compresibilidad El agua es un líquido prácticamente incompresible, perfecto para dar forma a las células o servir de esqueleto hidrostático en algunos animales y mantener la turgencia en las plantas. 6 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales - Capilaridad El fenómeno de capilaridad que permite la ascensión del agua por conductos de poco diámetro como son los vasos xilemáticos que transportan la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, se debe tanto a la cohesividad como al poder de adhesión del agua para con las paredes de los recipientes que la contienen. - Tensión superficial La tensión superficial es el resultado de la acción hacia el interior de la fuerza de cohesión entre las moléculas. Debido a este fenómeno la superficie de un líquido tiende a comportarse como si fuera una delgada película elástica. En el agua esta tensión superficial es elevada, más fuerte que en cualquiera de los líquidos habituales y, como consecuencia, la superficie del agua opone una gran resistencia a romperse y tiende a ser la menor posible adquiriendo la forma esférica que permite las deformaciones del citoplasma celular y causa los movimientos internos de la célula. - Calor específico Es elevado: Cuando se aplica calor a una masa de agua, parte de ese calor se emplea en romper los enlaces de hidrógeno entre las moléculas, por este motivo hace falta mucho calor para elevar su temperatura y esto la convierte en un excelente amortiguador térmico que mantiene la temperatura de las células relativamente constante con las ventajas que esto conlleva para asegurar la estabilidad de las moléculas orgánicas. - Calor de vaporización Es una medida directa de la cantidad de energía necesaria para superar las fuerzas de atracción entre las moléculas adyacentes en un líquido, de modo que estas puedan separarse y pasar al estado gaseoso. En el agua, debido a los enlaces de hidrógeno entre las moléculas, para pasar del estado líquido al gaseoso es necesario aportar una gran cantidad de calor. Esta propiedad, elevado calor de vaporización, colabora con la anterior (elevado calor específico) en la regulación de la temperatura en los organismos. Cuando se evapora una pequeña cantidad de agua, se disipa una gran cantidad de calor y es este fenómeno lo que hace tan efectiva la sudoración, el jadeo o el resuello a la hora de regular la temperatura de los mamíferos. Otras propiedades como punto de fusión, punto de ebullición, calor de fusión, etc., también tienen valores más elevados en el agua que en otras moléculas comparables. 8.3. Solubilidad Por su naturaleza dipolar, el agua posee una constante dieléctrica (tendencia a oponerse a la atracción entre iones opuestos) muy elevada, lo que le permite ser el mejor disolvente conocido para la mayoría de los compuestos; pero no todos se disuelven en ella por igual; su solubilidad depende de que posean grupos polares o apolares. Los grupos polares tienen asimetría eléctrica debido a su distribución electrónica; como el agua es polar, son hidrófilos, tienden a rodearse fácilmente de moléculas de agua. Los grupos apolares (o no polares) son totalmente neutros; son hidrófobos, sin tendencia a disolverse en el agua). Un compuesto puede tener una u otra característica, o ambas a la vez; en este último caso se dice que es anfipático. Según su solubilidad pueden distinguirse tres tipos de compuestos: a) Los que se disuelven fácilmente en agua (hidrófilos o polares) -La mayoría de las sales minerales y otros compuestos iónicos, ya que el agua se interpone entre sus componentes ionizados, provocando su separación y disolución: se producen fuertes atracciones _ electrostáticas entre los dipolos del agua y los iones positivo y negativo de la sal (por ejemplo Cl y Na+) formándose los iones hidratados correspondientes que son muy estables. -Compuestos orgánicos no iónicos con grupos funcionales polares, como alcoholes, aldehidos, cetonas y azúcares sencillos (con grupos hidroxilo y carbonilo), que son capaces de formar enlaces de hidrógeno con el agua sin interrumpir su estructura. -Compuestos orgánicos sencillos con grupos amino o carboxilo que tienden a ionizarse por interacción con el agua. b) Los que forman dispersiones coloidales (anfipáticos) -Algunas moléculas anfipáticas tienden a formar micelas (agregados de numerosas moléculas) ya que se dispersan en el agua de tal manera que disponen su polo hidrófilo inmerso en el agua y su polo hidrófobo lo más oculto posible del agua (interacciones hidrofóbicas). Un ejemplo sencillo es la sal sódica del ácido oleico IES Alfonso II Camino Peláez 7 BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales _ Na+. El grupo carboxilo del (jabón) que en disolución está ionizada: CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2) 7-COO ion oleato es polar y tiende a hidratarse con facilidad; la larga cola hidrocarbonada es apolar. Este compuesto se dispersa en el agua formando micelas en las que los grupos carboxilo, cargados negativamente, quedan expuestos a la fase acuosa mientras que las cadenas hidrocarbonadas permanecen ocultas en la estructura. Aunque las moléculas de oleato son de pequeño tamaño, este compuesto forma dispersiones coloidales debido al tamaño de las micelas, cada una de las cuales puede contener centenares o miles de moléculas. Las micelas poseen una carga negativa neta debido a los grupos carboxilo, se forman espontáneamente y se mantienen dispersas a causa de sus mutuas repulsiones de naturaleza electrostática. Además de formar micelas, estas moléculas pueden disponerse formando monocapas o bicapas, según sea su proporción y la de moléculas de agua. -Las grandes moléculas anfipáticas como proteínas, ácidos nucleicos y algunos lípidos tienden a formar estructuras en las que los grupos apolares quedan ocultos al agua. A diferencia de las micelas se trata de macromoléculas aisladas, no de agregados, que forman dispersiones coloidales debido al gran tamaño de sus moléculas. c) Los que no se disuelven en agua (hidrófobos o apolares) Los compuestos orgánicos no polares (radicales alifáticos por ejemplo); son insolubles en agua porque, al no poder formar enlaces de hidrógeno con ella, interrumpen su estructura tridimensional. Funciones del agua debidas a su solubilidad - De lo anterior se deduce que una de las funciones primordiales del agua es la de actuar como disolvente de la mayoría de las moléculas de los seres vivos y, dado que para que una reacción bioquímica tenga lugar es imprescindible que los reactivos se encuentren disueltos, se puede deducir que el agua es el medio donde se realizan todas las reacciones metabólicas celulares. - Teniendo en cuenta su capacidad como disolvente, el agua es el principal vehículo de entrada y salida de moléculas a través de las membranas celulares (ya que éstas, aunque poseen una zona interna muy hidrófoba, disponen de canales especiales que permiten que el agua pase a través de su bicapa lipídica) y es el medio fluido de transporte entre las diferentes partes de un organismo y un lubricante de los órganos en movimiento. 8.4. Hidrólisis Es la reacción química donde interviene el agua en forma iónica (H3O+ + OH) provocando la rotura de un enlace covalente. El ion hidronio (H3O+) se une a uno de los átomos que intervenían en el enlace y el ion hidroxilo (OH) se une al otro átomo. Estas reacciones son básicas en los procesos digestivos y en general en todos los procesos de degradación o escisión de moléculas complejas en sus constituyentes. Ejemplo: sacarosa + agua glucosa + fructosa En ellas se rompen enlaces éster, enlaces peptídicos, enlaces glicosídicos, etc; en los seres vivos son necesarios los enzimas hidrolíticos (que catalizan este tipo de reacciones). La reacción que se puede considerar como inversa de la hidrólisis es la condensación o síntesis, mediante la cual se unen dos moléculas al mismo tiempo que se libera una molécula de agua. 8.5. Ionización: regulación del pH Una pequeña parte de las moléculas de agua pueden ionizarse al unirse totalmente un átomo de hidrógeno de una molécula al oxígeno de otra. 2H2O H3O+ + OH El agua pura o destilada presenta un grado de ionización muy bajo: A 25ºC el producto iónico del agua [H3O+] ∙ [OH] es solamente de 1∙10-14. Esto quiere decir que sólo una de cada 551∙106 moléculas de agua se encuentra ionizada y, por lo tanto, al añadir una pequeña cantidad de ácido al agua se producirá un fuerte desequilibrio iónico debido al aumento de iones H3 O+. Del mismo modo si se añade una pequeña cantidad de una base, aumentaría la cantidad de iones OH. El producto iónico del agua es la base para la escala de pH, método que se utiliza para expresar el grado de acidez [H+] en cualquier disolución acuosa, concentración que varía al disolver en agua un ácido o una base. El pH es el logaritmo del inverso de la concentración de iones H+ (a los iones H3 O+ suele llamárseles iones H+): pH = log 1/[H+] = - log [H+] 8 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales La escala del pH varía de 0 a 14; 7 corresponde a un medio neutro, valores por debajo de 7 a medios ácidos y valores entre 7 y 14 a medios básicos. En los seres vivos, para que las funciones vitales se realicen con normalidad, es de gran importancia que el pH se mantenga constante en los fluidos intra y extracelulares, pues las reacciones metabólicas sólo son posibles en un determinado intervalo de pH. La mayoría de las reacciones ocurren en medios neutros, lo que facilita la estabilidad de muchas moléculas como las proteínas; pero hay excepciones, por ejemplo la pepsina (enzima del jugo gástrico) sólo actúa en medio ácido siendo su pH óptimo próximo a 2. Un cambio significativo de pH en los fluidos orgánicos no sólo impediría la realización de las reacciones metabólicas normales, sino que también afectaría a las estructuras celulares. Dicho pH se mantiene constante, a pesar de que en muchas reacciones metabólicas se liberan sustancias ácidas o básicas, debido a la existencia de unos mecanismos químicos llamados sistemas amortiguadores, tampones o disoluciones tampón que absorben el exceso de iones H+ o iones OH. Un tampón es, por tanto, un sistema que tiende a impedir un cambio de pH, pero resultaría insuficiente ante una cantidad muy elevada de ácido o de base. Como consecuencia de las actividades metabólicas es mucho más frecuente la desviación hacia la acidez que hacia la basicidad y la mayoría de los sistemas tampón conocidos tienden a amortiguar el exceso de iones H+. Las moléculas más importantes a la hora de amortiguar los cambios bruscos del pH son las proteínas que, con los numerosos radicales amino y carboxilo de sus aminoácidos, son capaces de absorber o ceder protones al medio que las contiene. Pero existen además algunos compuestos sencillos cuya finalidad es la misma: El tampón intracelular más importante es el fosfato: H2PO4HPO42- + H+ El principal tampón de la sangre y fluidos extracelulares de los vertebrados es el bicarbonato: H2CO3 HCO3- + H+ En ambos casos un aumento de ácido (de H+) desplaza el equilibrio hacia la izquierda hasta lograr que la concentración de H+ se aproxime a la inicial. Por el contrario si se añade una base el equilibrio se desplazará hacia la derecha. Cada sistema tampón actúa a un pH característico, por ejemplo el del bicarbonato actúa al pH normal de la sangre (7,4). Normalmente los aniones se encuentran en los seres vivos en forma de sales minerales que en disolución acuosa están muy ionizadas, por ello se dice que una de las principales funciones de las sales minerales en los seres vivos es la de mantener constante el pH. 8.6. Ósmosis Se denomina difusión al fenómeno por el cual las partículas de soluto se distribuyen uniformemente en un disolvente, de tal forma que la concentración sea la misma en cualquier punto de la disolución. En los medios orgánicos la difusión se ve dificultada por la existencia de membranas. Las células están separadas del medio intercelular y de otras células por la membrana plasmática y el interior de algunos orgánulos también está separado por membranas del hialoplasma. Todas estas membranas biológicas poseen la particularidad de que son semipermeables, es decir, dejan que ciertas sustancias difundan a través de ellas pero son impermeables respecto al resto. La difusión a través de una membrana semipermeable se denomina ósmosis. Las moléculas que están en el exterior y en el interior, tienden a difundirse a través de las membranas; las que por su estructura y tamaño puedan pasar libremente, pasarán, y al cabo de cierto tiempo, las concentraciones en el interior y en el exterior serán iguales. Las moléculas que no puedan pasar ejercerán sobre la membrana una presión determinada que se denomina presión osmótica. Como las concentraciones tienden siempre a igualarse, si no pueden pasar las moléculas de soluto de un lado a otro de la membrana, pasará el agua desde el medio más diluido al más concentrado. Así el diluido se volverá más y más concentrado y el concentrado se volverá más y más diluido. La presión que habría que hacer para impedir el paso del agua desde un medio al otro es la presión osmótica. Al medio más concentrado se le denomina medio hipertónico y al menos concentrado se le denomina medio hipotónico. Si los dos medios tienen la misma concentración se dice que son isotónicos. IES Alfonso II Camino Peláez 9 BIOLOGÍA Bioelementos, Agua y Sales minerales Cuando una célula se encuentra en un medio hipertónico, su hialoplasma y sus orgánulos membranosos, pierden agua (que sale hacia el medio intentando conseguir la igualdad de las concentraciones) produciéndose la plasmolisis del contenido celular. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, si se saliniza el suelo; las células de la raíz pierden agua y las plantas mueren. Por el contrario, si la célula está rodeada por un medio hipotónico, se producirá una entrada masiva de agua y ésta se hinchará por un fenómeno denominado turgencia (o turgescencia). En las células vegetales esto no suele provocar problemas porque su membrana, protegida por la pared de celulosa, puede soportar grandes presiones. En las células animales la turgencia suele desencadenar la explosión de la célula y la liberación de su contenido (hemolisis de los glóbulos rojos al colocarlos en agua destilada). La presión osmótica de la sangre en los animales superiores se mantiene constante principalmente por la acción de los riñones que regulan las proporciones de agua y sales minerales. Por ello, las disoluciones que se inyectan por vía intravenosa (por ejemplo para introducir nutrientes o medicamentos en el torrente sanguíneo de una persona) deben ser isotónicas respecto al plasma sanguíneo para evitar alteraciones osmóticas. Factores que influyen en la presión osmótica. -Concentración molar: la presión osmótica depende del número de partículas del soluto. -Temperatura: a mayor temperatura, mayor presión; porque es mayor la energía de las moléculas disueltas. -Ionización: las sustancias iónicas o polares ejercen mayor presión que las apolares dado que al disociarse producen un mayor número de partículas. -Masa molecular: a igual masa total, las moléculas de menor masa molecular ejercen mayor presión osmótica porque habrá un mayor número de partículas. -Cantidad de solutos: la presión osmótica de una disolución de varios solutos es la suma de las presiones osmóticas ejercidas por cada uno de ellos. 9. LAS SALES MINERALES Las sustancias minerales, casi siempre en forma de sales, pueden encontrarse en los seres vivos: -Disueltas, tanto en los medios celulares internos como en los externos. -Precipitadas, en forma sólida, formando parte de huesos, caparazones, etc. -Asociadas a ciertas sustancias orgánicas, como proteínas, lípidos o glúcidos. Cuando están disueltas se encuentran siempre disociadas en cationes y aniones. Los principales iones inorgánicos son: Cationes: Na+, K+, Ca2+ y Mg2+ Aniones: Cl-, SO4 2-, PO4 3-, CO3 2-, HCO3 - y NO3 La proporción de estos iones, sobre todo de los cationes, debe mantenerse constante en los medios celulares e intercelulares porque de ello dependen muchas funciones vitales como el paso de información a través de membranas, catálisis, ósmosis, soluciones tampón, etc. Algunos cationes tienen además efectos antagónicos; por ejemplo el Ca++ y el K+ son antagónicos en el funcionamiento del músculo cardíaco. Principales funciones de las sales minerales en los seres vivos: - Forman estructuras esqueléticas y protectoras (esqueletos, caparazones). - Estabilizan las dispersiones coloidales (sus cargas eléctricas mantienen a los solutos separados). - Modifican las propiedades disolventes del agua (proteínas insolubles en agua destilada se disuelven en soluciones salinas). - Mantienen constante el grado de salinidad de los medios inter e intracelulares (ósmosis). - Son la base del funcionamiento de los principales amortiguadores del pH (soluciones tampón). - Cumplen funciones específicas como son: movimiento muscular, impulso nervioso, el ion Mg2+ es imprescindible en el ensamblaje de muchas estructuras proteicas, el Fe2+ forma parte de la hemoglobina y citocromos, el I- es necesario para formar las hormonas tiroideas, etc. 10 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los glúcidos TEMA 2: LOS GLÚCIDOS Concepto, clasificación y funciones generales. Monosacáridos: naturaleza química, formas hemiacetálicas y ciclación de las moléculas. Enlace glicosídico y otros enlaces importantes. Derivados de los monosacáridos. Disacáridos. Polisacáridos. Heterósidos. 1. GLÚCIDOS. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN. Son biomoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno. Químicamente son muy homogéneos: pueden definirse como polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas (polialcoholes con un grupo funcional carbonilo; bien aldehido o bien cetona) o sustancias que por hidrólisis dan lugar a dichos compuestos. También se incluyen algunos derivados de estas moléculas con grupos amino, carboxilo, fosfato, etc. Son las biomoléculas orgánicas más sencillas, las que primero aparecen como consecuencia de la fotosíntesis y a partir de ellas se pueden formar las demás. Clasificación: según su complejidad se dividen en: Osas Ósidos Monosacáridos (monómeros no hidrolizables) Holósidos (por hidrólisis solamente dan monosacáridos o derivados) Heterósidos De 3 a 7 C: triosas, tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas. Oligosacáridos (de dos a diez monosacáridos) Disacáridos. Trisacáridos. etc.... Polisacáridos (más de diez monosacáridos) Homopolisacáridos Heteropolisacáridos Por hidrólisis dan lugar a glúcidos y otras moléculas no glucídicas. 2. FUNCIONES BIOLÓGICAS. Los glúcidos cumplen básicamente dos funciones: energética y estructural: 2.1. Energética. Constituyen la fuente de energía de uso inmediato para los seres vivos. El glúcido más utilizado por las células, tanto animales como vegetales, como fuente de energía es la glucosa, un monosacárido de seis átomos de carbono; esta molécula tiene el inconveniente de ser muy soluble en agua y por lo tanto no puede almacenarse en el interior de las células porque eso supondría un grave desequilibrio osmótico. Son otros glúcidos de mayor peso molecular los que cumplen este papel de almacén de energía química, reserva energética, o reserva de glucosa: el glucógeno y el almidón fundamentalmente; son moléculas bastante insolubles en agua, por lo que pueden almacenarse en grandes cantidades sin riesgo de alterar la presión osmótica sobre las membranas celulares. Por otra parte, al ser las primeras biomoléculas sintetizadas durante la fotosíntesis, los glúcidos constituyen la única fuente de carbono para construir los demás compuestos orgánicos. 2.2. Estructural. Algunos glúcidos desempeñan importantes funciones estructurales, formando parte tanto de las células como de los tejidos. Por ejemplo: - La celulosa, la pectina y la hemicelulosa forman la pared de las células vegetales. - Los peptidoglucanos forman parte de la pared de las bacterias. - La quitina se encuentra en el exoesqueleto de los artrópodos y en la pared celular de los hongos. - La ribosa y desoxirribosa son componentes de los ácidos nucleicos. También hay que destacar el papel algunos glúcidos, oligosacáridos especialmente, como receptores de membrana: unidos a lípidos o proteínas de membrana, se les considera como las moléculas que reconocen las señales de información y todo tipo de sustancias que llegan a la superficie celular. IES Alfonso II Camino Peláez 11 BIOLOGÍA Los glúcidos 3. MONOSACÁRIDOS Son los glúcidos más sencillos, constituidos por una sola unidad de polihidroxialdehido o polihidroxicetona. No son hidrolizables. Constituyen las piezas o monómeros a partir de los cuales se originan los demás glúcidos. 3.1. Propiedades físicas -Son sólidos, cristalinos, incoloros o blancos, de sabor dulce y muy solubles en agua (poseen grupos polares). -Todos, excepto la dihidroxiacetona, poseen uno o más carbonos asimétricos, por lo que tienen actividad óptica. (Nº de isómeros ópticos = 2n siendo n el nº de carbonos asimétricos). En los monosacáridos, de todos los isómeros posibles, la naturaleza muestra una especial preferencia por los de la serie D. 3.2. Propiedades químicas -El grupo carbonilo puede oxidarse a grupo carboxilo: los monosacáridos son reductores (tienen carácter reductor). Esta propiedad es utilizada para detectar su presencia en medios biológicos (por ejemplo frente a disoluciones alcalinas de plata o cobre: reactivo de Fehling). -El grupo carbonilo también puede reducirse a grupo hidroxilo: los monosacáridos son oxidantes. 3.3. Naturaleza química de los monosacáridos Los monosacáridos, en general, tienen la fórmula empírica (CH2O)n (siendo n entre 3 y 7). La estructura básica de los monosacáridos es una cadena no ramificada de 3 a 7 átomos de carbono en la que, salvo excepciones, todos poseen un grupo hidroxilo excepto uno que posee un grupo carbonilo. Los grupos carbonilo (aldehido y cetona) están siempre en los carbonos 1 (C1) y 2 (C2) respectivamente. Según sea el grupo carbonilo, aldehido o cetona, los monosacáridos se denominan aldosas o cetosas. Según el número de átomos de carbono se denominan triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, o heptosas. Para indicar a la vez ambos caracteres se antepone el prefijo aldo o ceto al nombre que indica el número de carbonos; así se denominan aldotriosas, cetotriosas, aldopentosas, cetohexosas, etc. Aunque generalmente se conocen por sus nombres particulares: glucosa, fructosa, etc. 3.4. Principales monosacáridos - Triosas: el gliceraldehido o aldehido glicérico y la dihidroxiacetona. El gliceraldehido posee 2 isómeros ópticos: D-gliceraldehido y L-gliceraldehido, dependiendo de que el OH del carbono asimétrico (C2) se sitúe a la derecha o a la izquierda. En los seres vivos se presenta la forma D. La dihidroxiacetona, no posee ningún isómero óptico porque no tiene ningún carbono asimétrico. Las dos triosas son importantes en el metabolismo intermediario: en la formación y degradación de la glucosa y de la glicerina (y por lo tanto de las grasas). - Tetrosas: aparecen también en el metabolismo intermediario, por ejemplo en la fotosíntesis. - Pentosas: más importantes son: la D-ribosa y la D-desoxirribosa, que forman parte de los ácidos nucleicos y de numerosos coenzimas y la D-ribulosa que interviene en la fotosíntesis. - Hexosas: son los monosacáridos más importantes. Las más abundantes son la D-glucosa (presente en la uva, también forma parte de oligo y polisacáridos; en nuestra sangre, procedente de la digestión de los glúcidos, se encuentra en la proporción de un gramo por litro); la D-galactosa (forma parte del disacárido lactosa); la Dmanosa (forma parte de algunos polisacáridos) y la D-fructosa (se encuentra en la miel y en la mayoría de los frutos acompañando a la glucosa; en el hígado se transforma en glucosa, por lo que posee el mismo valor energético que ésta). 12 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los glúcidos 4. EL HEMIACETAL INTRAMOLECULAR Y CICLACIÓN DE LA MOLÉCULA. La estructura lineal de los monosacáridos fue determinada por Fischer, por lo que las fórmulas lineales estudiadas se llaman formas de Fischer. Pero los monosacáridos en forma "lineal", sólo son frecuentes en la materia viva cuando tienen menos de cinco carbonos. Si se tiene en cuenta que los ángulos que forman los enlaces que unen a los carbonos son siempre menores de 180º, se comprende que las moléculas no son rectas sino que van doblándose ligeramente; esta curvatura es mayor cuanto más largo sea el monosacárido. Además, cuando un monosacárido está en agua su grupo carbonilo tiende a hidratarse y a perder su estabilidad; por ello, en un intento de recuperar la estabilidad, el grupo carbonilo reacciona con el grupo hidroxilo más próximo, que suele ser el C5 en las hexosas y el C4 en las pentosas. El resultado es una reestructuración atómica de la molécula mediante un enlace llamado hemiacetal y la formación de un anillo o ciclo que puede ser pentagonal o hexagonal según si se trata de una aldosa o una cetosa y si el carbono que participa en su formación es el C4 o el C5. Los monosacáridos con forma pentagonal se denominan furanosas (el furano es un anillo pentagonal) y los que tienen forma hexagonal se denominan piranosas (el pirano es un anillo hexagonal). Al formarse el hemiacetal intramolecular aparece un nuevo carbono asimétrico (el C1 en las aldosas y el C2 en las cetosas) que se llama carbono anomérico; es el carbono que en la forma lineal) llevaba el grupo carbonilo y que ahora lleva un grupo OH llamado hidroxilo hemiacetálico. El carbono anomérico tiene algunas propiedades especiales como es la de poseer carácter reductor (ya que en toda disolución hay un equilibrio entre la forma cíclica y la lineal). Por este motivo es el carbono más activo de toda la molécula y a él se debe que los monosacáridos ciclados conserven el carácter reductor de los lineales. El carbono anomérico es asimétrico; ello origina dos nuevos isómeros que se designan con las letras griegas y . Se considera cuando su grupo hidroxilo está en posición trans respecto al C6 o al C5 (según se trate de una hexosa o una pentosa) y se considera cuando está en posición cis. Para mayor comodidad los monosacáridos se representan eludiendo escribir todo lo que se puede dar por supuesto: solamente es necesario indicar el enlace hemiacetálico, la posición del C6 y la situación de los grupos OH. Las formas cíclicas o hemiacetálicas fueron ideadas por Haworth (formas de proyección de Haworth). Normalmente se representan como hexágonos o pentágonos regulares, pero no son planos. Estudiando las distancias entre los átomos de las piranosas se llegó a la conclusión de que el oxígeno y los carbonos no están en el mismo plano sino que el C1 y el C4 están en planos diferentes, por lo que pueden existir en dos conformaciones (dos ordenaciones en el espacio de los átomos de la molécula) que pueden producirse por rotaciones alrededor de los enlaces sencillos: la forma en nave o cis (el C1 y el C4 hacia el mismo lado de la molécula) y la forma en silla o trans (el C1 y el C4 en lados diferentes). IES Alfonso II Camino Peláez 13 BIOLOGÍA Los glúcidos 5. ENLACES MÁS FRECUENTES EN LOS QUE PARTICIPAN LOS MONOSACÁRIDOS. Con mucha frecuencia los monosacáridos se unen entre ellos o se unen a otras moléculas para formar disacáridos, polisacáridos o derivados de los monosacáridos y esto lo hacen fundamentalmente mediante tres tipos de enlaces: O-glicosídico, N-glicosídico y enlace de tipo éster. 5.1. Enlace O-glicosídico (u O-glucosídico). Se forma al reaccionar dos grupos hidroxilo (OH) pertenecientes a dos monosacáridos liberando una molécula de agua y quedando unidos mediante un átomo de oxígeno. Al menos uno de los grupos hidroxilo tiene que pertenecer a un carbono anomérico. Se llama primer monosacárido al que cede su carbono anomérico y segundo monosacárido al otro. Si los dos carbonos que intervienen en el enlace son los anoméricos, el enlace se denomina dicarbonílico. Si en la formación del enlace sólo interviene un carbono anomérico, el enlace se denomina monocarbonílico; en este caso el enlace O-glicosídico puede ser o ß glicosídico dependiendo de la posición ocupada por el grupo hidroxilo del C anomérico que interviene: Si el primer monosacárido es un anómero se trata de un enlace de tipo O-glicosídico; si es un anómero el enlace es de tipo O-glicosídico. El segundo monosacárido también puede estar en forma o , pero eso no afecta al tipo de enlace. 5.2. Enlace N-glicosídico. Formalmente hablando es el enlace que se establece entre un grupo amino y el OH del carbono anomérico de un monosacárido. En la materia viva este enlace impide las posteriores uniones del monosacárido a otras moléculas (ya que el carbono anomérico es el más reactivo de todos los carbonos del monosacárido). Por ello en la práctica se llama enlace Nglicosídico a todo aquel que se establece entre un grupo amino y un grupo OH de un monosacárido, aunque el grupo OH no pertenezca al carbono anomérico. También se libera H2O. 5.3. Enlace éster. ácido + alcohol = éster + agua Un éster se forma al reaccionar un alcohol con un ácido, es un enlace muy importante en la estructuración de la materia viva y muy frecuente en los glúcidos y en particular en los monosacáridos. Unos de los principales ésteres son los ésteres fosfóricos, es decir, aquellos en los que interviene el ácido fosfórico. De hecho, la mayoría de los monosacáridos que se encuentran "libres" en la célula, están fosforilados. La glucosa, por ejemplo, está en forma de glucosa-6-fosfato o de glucosa-1-fosfato. 6. DERIVADOS DE LOS MONOSACÁRIDOS. Son moléculas que se forman por pequeñas variaciones en la composición de un monosacárido. Los más importantes derivan de la glucosa y son: a) Ésteres fosfatados: son formas energetizadas o activadas. b) Aminoazúcares: resultan de sustituir un grupo hidroxilo de un monosacárido por un grupo amino o una pequeña molécula portadora de un grupo amino. c) Glucoácidos: resultan de sustituir uno de los grupos hidroxilo por un ácido orgánico. Forman parte de muchos heteropolisacáridos con funciones estructurales extracelulares. d) Polialcoholes: resultan de hidrogenar el grupo carbonilo del monosacárido, que se transforma en un alcohol más. El resultado son polialcoholes como el sorbitol, (glucosa sin grupo aldehido) y el inositol. 14 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los glúcidos 7. MONOSACÁRIDOS DE MAYOR INTERÉS BIOLÓGICO. 8. OLIGOSACÁRIDOS Se forman por la unión, mediante enlaces O-glicosídicos, de dos a diez monosacáridos. Los más abundantes son los disacáridos (2 unidades de monosacárido); también hay trisacáridos, tetrasacáridos, etc. Los trisacáridos están adquiriendo mucha importancia en los últimos años al descubrirse que las moléculas responsables de la mayoría de las propiedades de reconocimiento específico por parte de las membranas plasmáticas, son heterotrisacáridos complejos, asociados a proteínas. También son trisacáridos algunas sustancias como la estreptomicina, antibiótico de amplio espectro fundamental en la lucha contra la tuberculosis y otras enfermedades. Los disacáridos son los oligosacáridos más conocidos y de mayor trascendencia biológica, sobre todo los disacáridos formados por la unión de dos hexosas. Esta unión puede ser mediante un enlace O-glicosídico monocarbonílico o dicarbonílico: Los disacáridos formados por uniones monocarbonílicas son los que, en un grado superior de complejidad y por polimerización, van a dar lugar a los polisacáridos mientras que los que están formados por uniones dicarbonílicas, al tener ocupados sus carbonos anoméricos en esta unión, no tendrán posibilidades de funcionar como monómeros de los polisacáridos. 8.1. Disacáridos Son sólidos blancos, solubles en agua, de sabor dulce, cristalizables y con actividad óptica. Por hidrólisis se descomponen en dos monosacáridos; en los seres vivos cada disacárido requiere para su hidrólisis la presencia de un enzima específico. Su carácter reductor depende de que posean o no posean un carbono anomérico libre; así los formados por enlace monocarbonílico son reductores, mientras que los formados por enlace dicarbonílico no son reductores. Los disacáridos se nombran añadiendo el sufijo osil al nombre del primer monosacárido, a continuación se indican, entre paréntesis, los carbonos participantes en el enlace, y por último el nombre del segundo monosacárido acabado en osa (si el enlace es monocarbonílico) y en ósido (si el enlace es dicarbonílico). Ej: -D glucopiranosil (1 4) -D glucopiranosa; -D glucopiranosil (1 2) -D fructofuranósido IES Alfonso II Camino Peláez 15 BIOLOGÍA Los glúcidos DISACÁRIDOS MÁS IMPORTANTES MALTOSA: Formada por dos glucopiranosas unidas mediante un enlace monocarbonílico de tipo : -D glucopiranosil (1 4) D glucopiranosa Disacárido que aparece en los granos germinados de la cebada (procedente de la hidrólisis del almidón). Se emplea en la fabricación de la cerveza, algunos tipos de whisky y tostándola se utiliza para hacer infusiones de malta, un sucedáneo del café. Su importancia biológica radica en que es el monómero de importantes polisacáridos como el almidón y el glucógeno. El enzima necesario para la hidrólisis de la maltosa en los seres vivos se denomina maltasa. La segunda glucosa puede ser o . Así se distinguen -maltosa y -maltosa. Cuando la maltosa está libre en la naturaleza es más frecuente la forma ; cuando forma parte de un polisacárido está siempre en forma . ISOMALTOSA: es un disacárido que aparece durante la hidrólisis del almidón y del glucógeno. Se diferencia de la maltosa en que la unión de las dos glucosas es (1 6) en vez de (1 4). CELOBIOSA. Formada por dos -D glucopiranosas: -D glucopiranosil (1 4) -D glucopiranosa. No se encuentra libre en la naturaleza, sino como producto de la hidrólisis de la celulosa. SACAROSA. Formada por la unión de una glucosa y una fructosa mediante un enlace dicarbonílico; es por lo tanto un disacárido no reductor: -D glucopiranosil (1 2) -D fructofuranósido Es el azúcar común, uno de los pocos alimentos que podemos tomar cristalizados. Se encuentra libre en la naturaleza y nunca forma parte de polisacáridos. Abunda en vegetales como la caña de azúcar o la remolacha; también se encuentra en varias frutas. Sacarosa LACTOSA. Formada por una glucosa y una galactosa unidas mediante un enlace monocarbonílico de tipo : -D galactopiranosil (1 4) -D glucopiranosa Se encuentra libre en la leche de los mamíferos. Es un azúcar ideal para esta función energética ya que resulta muy difícil de fermentar (tiene enlace ) y por lo tanto resiste sin descomponerse en el interior de los animales. QUITOBIOSA. Formada por dos N-Acetíl-glucosaminas unidas mediante un enlace -O-glicosídico. No se encuentra libre en la naturaleza. Polimerizada da lugar a la quitina, homopolisacárido estructural que forma parte del exoesqueleto de los artrópodos 9. POLISACÁRIDOS Son moléculas de elevado peso molecular, formadas por la repetición de disacáridos unidos mediante enlaces Oglicosídicos. Son insípidos e insolubles en agua, aunque algunos como el almidón, forman dispersiones coloidales. Si el disacárido está formado por dos monosacáridos iguales, es un homopolisacárido, si está formado por dos monosacáridos diferentes se trata de un heteropolisacárido. En ambos casos el monosacárido puede ser también un derivado de monosacárido como el ácido glucurónico o la N-acetíl-glucosamina. Los polisacáridos más frecuentes están formados por hexosas o sus derivados, sobre todo por la glucosa, la Nacetil-glucosamina y otros derivados de la glucosa. Reciben el nombre general de hexosanas. En los vegetales también es frecuente encontrarse con pentosanas (repetición de pentosas). 16 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los glúcidos 9.1. HOMOPOLISACÁRIDOS MÁS IMPORTANTES Se trata de hexosanas de glucosa. Los que realizan funciones energéticas presentan enlaces -O-glicosídicos, los que realizan funciones estructurales presentan enlaces -O-glicosídicos. ALMIDÓN Polímero de la maltosa, con función de reserva energética y exclusivo de los vegetales. Se acumula en el citoplasma celular en forma de gránulos (amiloplastos) con forma y tamaño característicos para cada especie vegetal. Contiene miles de unidades de -D-glucosa, lo que le hace idóneo para la función que cumple, ya que su almacenamiento no altera la presión osmótica sobre la membrana plasmática. Está constituido por dos tipos de macromoléculas: la amilosa y la amilopectina. Un grano de almidón tiene un 2030% de amilosa y un 80-70% de amilopectina; es la reserva glucídica de los vegetales y se almacena sobre todo en los tubérculos y las semillas. La amilosa: sus moléculas son largas cadenas no ramificadas de 200 a 300 moléculas de -D-glucosa unidas mediante enlaces O-glicosídicos (1 4). Debido al ángulo que forma este enlace, sus moléculas están dispuestas en forma helicoidal, de tal manera que cada espira está formada por seis glucosas. La amilosa con disoluciones de yodo (lugol) en frío, adquiere un color azul oscuro característico. Esto es debido a que el yodo se introduce entre las espiras de la hélice modificando el color de la suspensión. Si se calienta ligeramente, la suspensión recupera su color original, que se vuelve otra vez azul al enfriar. La amilopectina puede considerarse como una amilosa con ramificaciones. Los enlaces O-glicosídicos en los puntos de ramificación son (1 6). La estructura de las ramificaciones también es helicoidal.Presenta una ramificación cada 10 ó 12 glucosas y la longitud media de las ramificaciones es de 24 a 30 glucosas; por lo tanto es una molécula muy densa. Los dos componentes del almidón pueden sufrir hidrólisis enzimática originando finalmente glucosas, que pueden ser absorbidas en las vellosidades intestinales. La amilosa puede ser hidrolizada por los enzimas y ß amilasa (presentes por ejemplo, en la saliva) que actúan sobre los enlaces (1 4) liberando glucosa y maltosa Para la hidrólisis de esta última se requiere el enzima maltasa (presente, por ejemplo, en el jugo intestinal). La amilopectina es mas difícil de hidrolizar, pues requiere otro enzima, la glucosidasa que actúa sobre los enlaces (1 6) de los puntos de ramificación. GLUCÓGENO Polisacárido de reserva glucídica en las células animales. Cuando un animal ingiere o sintetiza un exceso de glucosa, ésta se polimeriza en forma de glucógeno y se acumula en el hígado y los músculos principalmente. Estructuralmente es muy semejante a la amilopectina pero pero sus ramificaciones están más juntas (una ramificación cada 8 a 10 glucosas) por lo que la molécula es más compacta. Su proceso de hidrólisis es similar al descrito para la amilopectina. IES Alfonso II Camino Peláez 17 BIOLOGÍA Los glúcidos CELULOSA Es un polímero de la celobiosa y por lo tanto de la -D glucopiranosa. Su función es típicamente estructural: forma parte fundamental de la pared celular de las células vegetales. Debido a las características especiales del enlace -O-glicosídico, es un polímero lineal, sin ramificaciones y prácticamente inerte: cada residuo de glucosa está girado 180º respecto al residuo adyacente, de modo que el oxígeno de cada anillo establece un enlace de hidrógeno con el grupo OH del C3 del anillo siguiente, lo que impide la formación de estructuras helicoidales y da lugar a una cadena recta y extendida. Varias cadenas con esta configuración pueden establecer entre ellas enlaces de hidrógeno, formando fibras muy resistentes y estables que se van disponiendo sobre la membrana plasmática de la célula, superponiéndose entre sí transversalmente para formar la pared celular vegetal. A medida que la célula va envejeciendo, es muy frecuente que la pared de celulosa se vaya impregnando de otras sustancias, como lignina o suberina que la endurecen o impermeabilizan respectivamente, dando lugar a distintos tejidos vegetales. Es componente fundamental de la madera (y, por tanto, del papel), del algodón etc. Prácticamente el 50% de la materia orgánica en la Tierra está organizada en forma de celulosa. La celulosa se hidroliza con la participación de celulasas capaces de romper los enlaces -O-glicosídicos, dando celobiosas primero y luego glucosas. El aparato digestivo de la mayor parte de los mamíferos no produce dicho enzima, por lo que estos animales no pueden utilizar la celulosa como elemento nutritivo. Sólo algunos microorganismos, como protozoos y bacterias simbióticas en el aparato digestivo de los animales herbívoros y de insectos xilófagos, poseen dicho enzima. QUITINA. Es un homopolisacárido estructural formado por la polimerización de la quitobiosa mediante enlaces - O glicosídicos, formando cadenas lineales y no ramificadas. Se encuentra en la pared celular de los hongos y es el principal componente del exoesqueleto de los artrópodos (insectos, arácnidos, miriápodos y crustáceos), que en algunos casos como en los insectos, está formado por quitina prácticamente pura; mientras que en otros casos, como en muchos crustáceos, la quitina está endurecida por impregnaciones de carbonato cálcico precipitado (CaCO3). 9.2. HETEROPOLISACÁRIDOS Son polisacáridos que por hidrólisis dan lugar a más de un tipo de monosacárido. Es decir, los disacáridos que se polimerizan para formar estas moléculas están formados por dos monosacáridos diferentes. La mayoría de las moléculas clasificadas en este grupo absorben gran cantidad de agua y suelen ser extracelulares, es decir, cumplen sus funciones fuera de las células. Se trata de sustancias como el ácido hialurónico, el condriotinsulfúrico, etc. que se encuentran en la sustancia intercelular de tejidos como el cartilaginoso, el óseo, las mucosas, etc. 10. HETERÓSIDOS Son moléculas que por hidrólisis dan lugar a monosacáridos y a otras sustancias de naturaleza no glucídica. Por lo tanto, estos compuestos, se pueden clasificar dentro del grupo al que pertenezca la molécula no glucídica, por ejemplo, si es un lípido, dentro de los lípidos; si es una proteína, dentro de las proteínas, etc. Aquí se pueden incluir los cerebrósidos y gangliósidos por su contenido en glúcidos y sin embargo se estudian con los lípidos por su función biológica. También son heterósidos algunas moléculas muy relacionadas con la especificidad celular; se trata de receptores que se encuentran en las membranas y captan informaciones hormonales, inmunitarias, etc. Por ejemplo, las diferencias entre los grupos sanguíneos A, B, AB y 0 dependen de oligosacáridos que a su vez están asociados a ciertas proteínas de la membrana de los eritrocitos. Por su contenido en pentosas, en cierto modo también se podrían considerar heterósidos a los nucleótidos e incluso a los ácidos nucleicos. 18 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los lípidos TEMA 3: LOS LÍPIDOS Concepto. Clasificación. Funciones generales. Lípidos saponificables: Ácidos grasos, Eicosanoides, Acilglicéridos, Céridos, Glicerolípidos, Esfingolípidos. Lípidos insaponificables: Terpenos, Esteroides. 1. CONCEPTO DE LÍPIDOS Los lípidos, muy heterogéneos químicamente; están compuestos esencialmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, aunque algunos contienen también algo de fósforo y nitrógeno. Se agrupan por tener propiedades físicas comunes: tienen aspecto oleoso o céreo y son poco solubles en agua y otros disolventes polares (todos contienen grandes estructuras hidrocarbonadas apolares) mientras que se disuelven bien en disolventes orgánicos apolares (cloroformo, éter, benceno, acetona, etc). 2. CLASIFICACIÓN DE LOS LÍPIDOS Aunque existen otras posibilidades, se pueden clasificar de la siguiente forma: LÍPIDOS Ac. Grasos Saturados Insaturados Eicosanoides Se fabrican a expensas de ác. grasos poliinsaturados como el araquidónico Saponificables. Hidrolizables Lípidos neutros, Simples u Hololípidos (solo tienen C, H, O) En su composición encontramos ác. grasos: Alcohol (glicerina u otro) + ác. Grasos + alcohol, aminoalcohol o un glúcido Insaponificables o Isoprenoides Lípidos Complejos o Glicerolípidos Anfipáticos o (con glicerina) Heterolípidos (además de C, O, e H; tienen P y N casi siempre) Esfingolípidos (También (con llamados esfingosina) lípidos de membrana) Acilglicéridos (Glicerina + ác. grasos) Grasas neutras Céridos (Monoalcohol + ác. graso) Ceras Fosfoglicerolípidos (Diacilglicérido + ác.fosfórico + alcohol o aminoalcohol) Glicoglicerolípidos (Diacilglicérido+glúcido) (Diacilglicérido+glúcido) Ceramida: esfing. + ác.graso Esfingomielina: Ceramida + ác. fosf. + colina Cerebrósidos: Ceramida + monosacárido Gangliósidos: Ceramida + oligosacárido Monoterpenos (2) Diterpenos (4) Triterpenos (6) Tetraterpenos (8) Politerpenos (n) Esencias vegetales: timol, limoneno, mentol, anetol,.. Vit. A, Vit. K, Vit. E Fitol, carotenos, Coenzima Q Plastoquinona, resinas. Caucho, etc. Esteroles Un grupo OH en posición 3` Ergosterol, Colesterol Vitamina D, Ác. biliares Estradiol (horm.sex.fem.) Hormonas Esteroideas Un grupo = O en posición 3 Sexuales: Progesterona (fem.) Testosterona (masc.) Suprarrenales: Aldosterona, Cortisol Terpenos Esteroides Ac.fosfatídico (diglicérido + ác. fosf.) Lecitinas, Cefalinas... Fosfoesfingolípidos (Esfingosina + ác. graso + ác. fosfórico + alcohol o aminoalcohol) Glicoesfingolípidos (Esfingosina + ác. Graso + Glúcido) No hidrolizables (sin ácidos grasos) Carburantes metabólicos muy importantes: palmítico, esteárico, oleico Prostaglandinas Tromboxanos Leucotrienos Polímeros del isopreno: IES Alfonso II Camino Peláez 19 BIOLOGÍA Los lípidos 3. FUNCIONES GENERALES DE LOS LÍPIDOS Función estructural: forman parte de todas las membranas celulares, recubren superficies para impermeabilizarlas (epidermis, cutícula de las hojas), aíslan térmicamente (panículo adiposo de los animales), protegen mecánicamente (almohadillas plantar y palmar). Función de reserva energética: Con su degradación proporcionan una considerable cantidad de energía y, al ser muy hidrófobos, no alteran la presión osmótica. Presentan la mejor relación energía/peso de todas las biomoléculas: un gramo de grasa proporciona 9,4 Kcal mientras que proteínas y glúcidos sólo producen 4,1 Kcal/gr. De esta manera son eficaces reservas de energía. Función dinámica o reguladora: Algunos lípidos intervienen directamente en el control del metabolismo actuando como hormonas (sexuales, suprarrenales), como vitaminas (A, K, E y D), como emulsionantes de grasas (ácidos biliares), etc. 4. LÍPIDOS SAPONIFICABLES Son aquellos con los que se puede fabricar jabón (saponificación) ya que contienen ácidos grasos. La mayoría de los lípidos saponificables son ésteres de ácidos grasos y un alcohol o un aminoalcohol. Se pueden clasificar en lípidos simples u hololípidos y lípidos complejos o heterolípidos. También se incluyen entre los lípidos saponificables los ácidos grasos y sus derivados los eicosanoides. 4.1. ÁCIDOS GRASOS Son componentes característicos de todos los lípidos saponificables, responsables de su naturaleza grasa o aceitosa. Son ácidos orgánicos monocarboxílicos (con un solo grupo COOH) de cadena larga y alifática (sin ramificaciones) y de número par de carbonos (entre 4 y 24). Los más abundantes en los seres vivos son los de 16 y 18 átomos de carbono. Pueden encontrarse en estado libre, por ejemplo en las membranas celulares, pero en cantidades muy pequeñas; casi siempre se encuentran unidos a otras moléculas para formar las distintas clases de lípidos; moléculas de las que pueden liberarse mediante hidrólisis enzimática o química. La cadena puede ser saturada (sólo con enlaces simples) o con dobles enlaces. Los ácidos grasos saturados son flexibles y alargados y sus moléculas adoptan estructuras en zig-zag (ángulo entre carbonos de 110º). Los no saturados poseen isomería geométrica o cis-trans. En la naturaleza casi todos poseen la configuración cis, por lo que su molécula, cuando poseen un solo doble enlace (ej: ácido oleico), adquiere una curvatura rígida típica; cuando poseen varios dobles enlaces la estructura es retorcida (debido a que el ángulo que forma un doble enlace respecto a un enlace sencillo adyacente es de unos 123º). Tres ácidos grasos poliinsaturados (linoleico, linolénico y araquidónico) se consideran esenciales para la especie humana y otros animales, ya que son indispensables y deben ingerirse con la dieta pues no se pueden sintetizar. El linoleico y el linolénico son de origen vegetal (aceite de maíz, girasol, soja); el araquidónico es de origen animal (grasa de los pescados azules) y es especialmente importante por ser la molécula a partir de la cual se forman los eicosanoides. PRINCIPALES ÁCIDOS GRASOS SATURADOS Ácido Fórmula Palmítico CH3 -(CH2)14 –COOH Esteárico CH3 -(CH2)16 –COOH Araquídico CH3 -(CH2)18 –COOH Lignocérico CH3 -(CH2)22 –COOH PRINCIPALES ÁCIDOS GRASOS INSATURADOS Ácido Fórmula Oleico CH3 -(CH2)7 -CH=CH-(CH2)7 –COOH Linoleico CH3-(CH2) 4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2) 7-COOH Linolénico CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2) 7-COOH Araquidónico CH3-(CH2) 4-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2) 3-COOH 20 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los lípidos PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS ÁCIDOS GRASOS Son moléculas bipolares o anfipáticas debido a la presencia de sus dos extremos diferenciados (polar, no-polar): la cola hidrocarbonada (hidrófoba) les confiere la propiedad de no ser solubles en agua, mientras que el grupo COOH (hidrófilo) les da un “toque” de solubilidad. Son por tanto, moléculas anfipáticas, es decir con dos polos: uno hidrófilo y otro hidrófobo y este comportamiento anfipático es el responsable de la propiedad de formar micelas, monocapas y bicapas. La mayoría de las propiedades físicas de los ácidos grasos dependen de la presencia de dobles enlaces y de la longitud de la cadena alifática. Por ejemplo su grado de fluidez: - En los ácidos grasos saturados la temperatura de fusión va aumentando con el número de átomos de carbono, ya que esto implica la formación de más interacciones hidrofóbicas y la necesidad de una mayor cantidad de energía para romperlas y pasar al estado líquido. - Los ácidos grasos insaturados al presentar forma en "uve" no se pueden empaquetar tan fácilmente como los saturados, con lo que las atracciones hidrofóbicas entre cadenas serán mucho menores. Como consecuencia, a temperatura ambiente, las grasas con preponderancia de ácidos grasos saturados son sólidas mientras que las grasas ricas en ácidos grasos insaturados (aceites) son líquidas. Recordando la estructura de las membranas biológicas, formadas a partir de un “esqueleto” de lípidos con gran cantidad de ácidos grasos formando parte de su estructura, este hecho también explica (al menos en parte) que los animales poiquilotermos (de temperatura variable o sangre fría) presenten más abundancia de ácidos grasos insaturados que los homeotermos (de temperatura constante o sangre caliente). PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ÁCIDOS GRASOS Pueden intervenir en las siguientes reacciones químicas: - Esterificación: reacción entre un ácido y un alcohol para formar un éster, con liberación de una molécula de agua; R-COOH + HO-R’ R-CO-O-R’ + H2O en este caso el ácido es un ácido graso. ester esterificación - Saponificación: al reaccionar un ácido graso (o un éster) con una base fuerte (como la potasa: KOH o la sosa NaOH) R-COOH + NaOH R-COONa + H2O se obtiene la sal (potásica o sódica) del ácido graso, que Jabón recibe el nombre de jabón. Los jabones (sales de ácidos Saponificación grasos) se ionizan aumentando considerablemente la capacidad de formar micelas y así “solubilizar” las grasas. - Autooxidación o enranciamiento: los ácidos grasos insaturados se rompen fácilmente por sus dobles enlaces al reaccionar con el oxígeno atmosférico, dando lugar a aldehídos que poseen un olor característico (a rancio). En los tejidos vivos la vitamina E protege a las células de este proceso de autooxidación o envejecimiento. 4.2. EICOSANOIDES Son un grupo de sustancias muy potentes semejantes a hormonas que se producen en la mayoría de los tejidos animales. Intervienen en gran variedad de procesos biológicos: contracción del músculo liso, percepción del dolor, inflamación, regulación del flujo sanguíneo. También participan en varias enfermedades como el infarto de miocardio y la artritis reumatoide. Aunque en cierto sentido tienen carácter hormonal se diferencian de las hormonas por fabricarse “in situ”, donde se requieren, sin ser necesarias células glandulares especializadas. Generalmente, incluso son activos en el interior de la célula que los produce. Derivan del ácido araquidónico, ácido graso poliinsaturado esencial presente en los fosfolípidos de membrana, o de otros poliinsaturados similares. Son de tres tipos: LAS PROSTAGLANDINAS Descubiertas hacia 1930 por Von Euler en las secreciones de la próstata del carnero y otros mamíferos (de donde les viene el nombre). Presentan una gran variedad de funciones que en algunas ocasiones parecen antagonistas: Son vasodilatadores arteriales, estimulan las inflamaciones, provocan fiebre, rubor, edema, dolor, regulan e inhiben la secreción gástrica, intervienen en la ovulación, influyen en la regulación del ciclo sueño/vigilia, favorecen la relajación de la musculatura lisa del útero y del intestino pero estimulan la contracción de la musculatura lisa del sistema cardiovascular. IES Alfonso II Camino Peláez 21 BIOLOGÍA Los lípidos LOS TROMBOXANOS Se sintetizan principalmente en las plaquetas. Contraen las arterias y estimulan los procesos de coagulación de la sangre; este efecto es contrario al que provocan ciertas prostaciclinas (un tipo de prostaglandinas) que son sintetizadas en las paredes de las arterias e impiden la coagulación de la sangre; de la correcta concentración de ambas moléculas dependerá la fluidez de la sangre. LOS LEUCOTRIENOS También derivan del ácido araquidónico pero, mientras tromboxanos y prostaglandinas están ciclados, los leucotrienos son lineales. Están relacionados con procesos inmunitarios, anafilaxia, incremento de la pérdida de líquidos en las zonas afectadas por una infección o un trauma, son vasoconstrictores y broncoconstrictores, son agentes favorecedores del quimiotactismo para leucocitos, etc. La aspirina debe sus propiedades antiinflamatorias, antipiréticas, analgésicas y fluidificantes de la sangre a que es un potente inhibidor de la síntesis de las prostaglandinas. Por este mismo motivo puede llegar a producir lesiones en las paredes del estómago. 4.3. ACILGLICÉRIDOS O ACILGLICEROLES También llamados glicéridos o grasas neutras constituyen, junto con los céridos, los lípidos neutros, simples u hololípidos, compuestos que sólo contienen C, H y O. Están formados por la esterificación de uno, dos o tres ácidos grasos con la glicerina o glicerol (propanotriol): son, por tanto, ésteres de glicerina y ácidos grasos. Si solamente tienen un ácido graso son monoacilglicéridos, si tienen dos ácidos grasos son diacilglicéridos y si tienen tres son triacilglicéridos. Los mono y diacilglicéridos se encuentran en la naturaleza en cantidades muy pequeñas, sin embargo los triacilglicéridos (o triglicéridos) son los lípidos más abundantes en los seres vivos. La reacción mediante la cual se rompen los acilglicéridos en glicerina y ácidos grasos, es la de saponificación, ya estudiada al hablar de los ácidos grasos. En los seres vivos la hidrólisis se lleva a cabo por acción enzimática, a pH neutro, mediante las lipasas (por ej. del jugo pancreático). Formación de un triacilglicérido 22 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los lípidos PRINCIPALES ACILGLICÉRIDOS Existen muchos tipos de acilglicéridos cuya identidad depende de los ácidos grasos que esterifiquen con la glicerina. Los triacilglicéridos que tienen el mismo ácido graso en las tres posiciones se llaman triacilglicéridos simples y se designan con el prefijo tri y la terminación oil en el nombre del ácido graso seguido de glicerina, aunque se suelen conocer por nombres más sencillos: - Triestearoilglicerina o triestearina (3 moléculas de ácido esteárico) - Tripalmitoilglicerina o tripalmitina (3 moléculas de ácido palmítico) - Trioleilglicerina trioleína (3 moléculas de ácido oleico) Los triacilglicéridos con dos o más ácidos grasos diferentes se llaman triacilglicéridos mixtos. La mayor parte de las grasas naturales (aceite de oliva, manteca de cerdo, etc.) son mezclas complejas de triacilglicéridos simples y mixtos cuyos ácidos grasos difieren en la longitud de la cadena y en su grado de saturación. PROPIEDADES DE LOS ACILGLICÉRIDOS 1) El grado de fluidez de las grasas neutras depende de los ácidos grasos que contengan. Así, según su punto de fusión se distinguen: - Aceites: Son grasas líquidas a temperatura ambiente porque poseen numerosos ácidos grasos insaturados; por ejemplo, la trioleína es el componente principal del aceite de oliva. Se encuentran en las plantas oleaginosas, ya sea en el fruto (aceituna) o en la semilla (girasol, maíz, soja, sésamo, lino, etc.); también en las grasas de pescados (especialmente el llamado pescado azul). - Mantecas: Son grasas semisólidas a temperatura ambiente, pues contienen ácidos grasos saturados e insaturados en parecidas proporciones. Por ejemplo la grasa de cerdo alimentado con bellotas es más fluida, siendo éstos más apreciados para el consumo (pata negra). - Sebos: Son grasas sólidas y blancas a temperatura ambiente por estar formadas por mayoría de ácidos grasos saturados, como la grasa de buey, carnero o cabra, compuestas principalmente por triestearina. La mantequilla está formada por una mezcla de triacilglicéridos con ácidos grasos de cadena corta y ácidos grasos de cadena larga. La presencia de ácidos grasos de cadena corta rebaja el punto de fusión y confiere la blandura que presenta la mantequilla a temperatura ambiente. Los triacilglicéridos con mucho contenido de ácidos grasos insaturados, líquidos por tanto, pueden convertirse en grasas sólidas mediante un mecanismo de hidrogenación de sus dobles enlaces. Se obtienen así las margarinas, que contienen las llamadas grasas trans. Existe cierta polémica sobre las repercusiones de las grasas "trans" sobre nuestro organismo, pero parece ser que son perjudiciales para el sistema sanguíneo en general y para el corazón de forma muy especial e incluso se estudia la posibilidad de prohibir su utilización en la industria alimenticia. 2) Los triacilglicéridos son moléculas hidrófobas; son insolubles en agua, no se encuentran normalmente en las membranas celulares debido a su nula o escasa polaridad y no tienden, por si mismos, a formar micelas. Sólo los diacilglicéridos y los monoacilglicéridos presentan cierto grado de anfipatismo (uno o dos grupos OH respectivamente). 3) Los triacilglicéridos son los componentes principales de los depósitos grasos o grasas de reserva de animales y plantas; son mucho más apropiados que el glucógeno para almacenar energía. No sólo pueden almacenarse en grandes cantidades sino que lo hacen en forma casi totalmente deshidratada, con lo cual ocupan menos volumen, no ocasionan problemas osmóticos y a igualdad de masa producen el doble de energía que los glúcidos (el glucógeno que se puede almacenar en hígado y músculos no sería suficiente para las necesidades de un sólo día). Son sustancias de reserva que aparecen en muchas células animales y vegetales en forma de gotitas dispersadas finamente y emulsionadas en el citosol (hialoplasma). En los adipocitos, células especializadas de algunos tejidos animales, como el conjuntivo, adiposo y otros conectivos, se hallan almacenadas grandes cantidades de triacilglicéridos en forma de gotitas de grasa que ocupan la casi totalidad del volumen celular. Se encuentran adipocitos debajo de la piel, en la cavidad abdominal, y en las glándulas mamarias. 4) En algunos animales los triacilglicéridos desempeñan, debido a su muy baja conductividad térmica, el papel de aislantes frente a las bajas temperaturas, como ocurre en focas, morsas, pingüinos, delfines y otros animales homeotermos acuáticos o de climas polares que están ampliamente protegidos mediante un panículo adiposo (“tocino”) cargado de triacilglicéridos. IES Alfonso II Camino Peláez 23 BIOLOGÍA Los lípidos 4.4. CERAS (CÉRIDOS) Son los compuestos resultantes de la esterificación de un ácido graso de cadena larga, ya sea saturado o no saturado, con un monoalcohol de elevado peso molecular y de cadena alifática muy larga. Son sólidos maleables fuertemente hidrófobos (insolubles en agua), dado su carácter apolar. Por ello actúan como impermeabilizantes en animales y plantas. Así los encontramos por ejemplo en la lanolina (protector de la lana), el cerumen del conducto auditivo, la cera que recubre hojas (laurel, cerezo) y frutos (manzana), la cera de abeja (palmitatos) o el espermaceti de ballena (presente en las cavidades del cráneo del cachalote y otros cetáceos). Las ceras también constituyen la principal sustancia de reserva del plancton marino, por ello son la más importante fuente energética para los seres planctófagos (sardinas, ballenas, etc.) por lo que constituyen la reserva lipídica fundamental de las cadenas alimenticias del océano. 4.5. LÍPIDOS “COMPLEJOS” SAPONIFICABLES O HETEROLÍPIDOS Los lípidos complejos son aquellos que además de C, H y O llevan en su composición N, P o un glúcido. Al igual que los ácidos grasos, estos lípidos tienen comportamiento anfipático porque poseen un polo hidrófilo (o lipófobo) y una cola lipófila (o hidrófoba), pudiendo formar, por tanto, micelas, monocapas y bicapas cuando se encuentran en un medio acuoso. Constituyen el esqueleto lipídico de las membranas celulares, por lo que se les conoce también como lípidos de membrana. Muchos de ellos tienen en su estructura fósforo en forma de H3PO4 ; se les conoce con el nombre de "fosfolípidos". Otros tienen un glúcido, y en este caso se les conoce como “glicolípidos”. Se distinguen dos grandes grupos: Glicerolípidos (poseen glicerina) y Esfingolípidos (poseen esfingosina), pero la clasificación puede ser diferente si nos fijamos en otros factores. - Los glicerolípidos se clasifican en fosfoglicerolípidos y glicoglicerolípidos. - Los esfingolípidos se clasifican en fosfoesfingolípidos y glicoesfingolípidos. 4.5.1. GLICEROLÍPIDOS a) FOSFOGLICEROLÍPIDOS O FOSFOGLICÉRIDOS Son los constituyentes más abundantes de las membranas celulares. Su estructura está formada por un diacilglicérido unido a un ácido fosfórico que a su vez se une a un alcohol o aminoalcohol. Generalmente el primer ácido graso del diacilglicérido es saturado y el segundo no lo es. La unión del diacilglicérido con el ácido fosfórico se realiza mediante un enlace éster; la molécula resultante recibe el nombre de ácido fosfatídico y constituye la base para la formación de todos los fosfoglicéridos. Los ácidos fosfatídicos, sin embargo, son escasos como moléculas independientes. El ácido fosfatídico establece otro enlace éster (por un segundo OH del ácido fosfórico) con un segundo alcohol (generalmente un aminoalcohol) formándose un fosfodiéster. El segundo alcohol puede ser el inositol, otra glicerina, o un aminoalcohol como la colina, etanolamina o la serina (aminoácido) y es el que va a dar nombre a la molécula resultante, así, si se trata de la colina, el fosfolípido es la fosfatidilcolina; si es la serina, la fosfatidilserina; si es la etanolamina, fosfatidiletanolamina; si el inositol, fosfatidilinositol; etc. Estas moléculas se encuentran en las membranas de todos los tejidos animales y vegetales. La fosfatidilcolina, llamada también lecitina, es abundante en la yema de huevo; la fosfatidiletanolamina o cefalina en el tejido nervioso y la fosfatidilserina en el cerebro. 24 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los lípidos b) GLICOGLICEROLÍPIDOS O GLICOGLICÉRIDOS En este caso el diacilglicérido formado con la glicerina y dos ácidos grasos se une mediante un enlace O-glicosídico con un glúcido, generalmente un monosacárido como la D-glucosa o la D-galactosa. 4.5.2. ESFINGOLÍPIDOS Esfingosina Constituyen la segunda gran clase de los lípidos de membrana, aparecen en las membranas de células animales y vegetales siendo muy abundantes en el tejido nervioso. Todos contienen Ceramida, constituida por esfingosina (aminoalcohol no saturado de cadena larga: 18C) y un ácido graso (generalmente el lignocérico o el oleico) unidos por un enlace de amida o peptídico (entre el grupo amino de la esfingosina y el grupo carboxilo del ácido graso). Se clasifican en dos subgrupos: los Fosfoesfingolípidos, que contienen ácido fosfórico y los Glicoesfingolípidos, que contienen un glúcido. a) LOS FOSFOESFINGOLÍPIDOS Además de ceramida poseen ácido fosfórico y un segundo aminoalcohol similar al de los fosfoglicerolípidos: En los fosfoesfingolípidos el alcohol terminal de la ceramida se esterifica con el ácido fosfórico para dar lugar a un fosfato de ceramida, que a su vez se esterifica con el segundo aminoalcohol (colina o etanolamina) para formar el fosfoesfingolípido completo. Si el aminoalcohol es la colina, el fosfoesfingolípido formado es una esfingomielina: componente esencial de las membranas celulares de todas las células animales y de la vaina de mielina que protege los axones de las neuronas. Formación de la ceramida Esfingomielina IES Alfonso II Camino Peláez 25 BIOLOGÍA Los lípidos b) LOS GLICOESFINGOLÍPIDOS Están formados por la Ceramida unida a un glúcido mediante un enlace O-glicosídico. No tienen ácido fosfórico ni enlaces de tipo éster. Pueden ser de dos tipos: - LOS CEREBRÓSIDOS: el glúcido que contienen es un monosacárido (generalmente D-glucosa o D-Galactosa). Están presentes en las membranas de las neuronas cerebrales, en la llamada sustancia blanca, y en las vainas de mielina que rodean a los axones (en este caso suelen llevar glucosa); también se encuentran en otros tejidos aunque en menores cantidades. Cerebrósido - LOS GANGLIÓSIDOS: el glúcido que contienen es un oligosacárido complejo. Se encuentran en las sinapsis de las neuronas, en los glóbulos rojos y, en general, en la membrana plasmática de las células animales formando parte del complejo sistema de receptores de membrana. 5. LÍPIDOS INSAPONIFICABLES: LOS ISOPRENOIDES Pertenecen a este grupo los lípidos que no presentan ácidos grasos en su composición y, por lo tanto, no pueden ser saponificados ni dar lugar a jabones. Los Isoprenoides tradicionalmente se subdividen en dos grandes grupos: terpenos y esteroides. Todos ellos se consideran polímeros del Isopreno (2 metil-1,3 butadieno). 5.1. TERPENOSSe forman por polimerización del isopreno (unión mediante enlaces covalentes). Pueden ser moléculas lineales o cíclicas o contener parte lineal y parte cíclica. En los segmentos lineales de la mayor parte de ellos los dobles enlaces están en forma trans. Hay una gran variedad, tanto estructural como funcional, de estos isoprenoides, que se clasifican atendiendo al número de terpenos presentes en la molécula (un terpeno es un dímero del isopreno): - Monoterpenos: son mayoritariamente sustancias vegetales de carácter aromático, como el mentol (de la menta), limoneno (del limón), geraniol (de los geranios), pineno (del pino), timol (del tomillo), etc. (un terpeno = 2 isoprenos): - Diterpenos (2 terpenos = 4 isoprenos): el más importante es el fitol, que forma parte de la clorofila. También pertenecen a este grupo vitaminas liposolubles: la vitamina K, que interviene en el mecanismo de coagulación de la sangre, la vitamina E o tocoferol, que además de ser antiestéril (al menos en los animales de laboratorio), es antioxidante, y por tanto previene el envejecimiento (recordar la autooxidación de los ácidos grasos) y la vitamina A, relacionada con el mantenimiento de los epitelios y la síntesis de los pigmentos visuales. - Triterpenos (3 terpenos = 6 isoprenos): a este grupo pertenece el escualeno, molécula precursora de los esteroides (ej: colesterol). - Tetraterpenos (4 terpenos = 8 isoprenos): casi todos actúan como pigmentos fotosintéticos o como sustancias que suelen ser fotosensibles; tienen numerosos dobles enlaces que, con su inestabilidad electrónica, son los responsables de que estas moléculas sean coloreadas. Los más conocidos son los carotenoides que pueden ser carotenos (de color rojo) o xantofilas (de color amarillo). - Politerpenos: formados por la polimerización de muchos terpenos. Son de origen vegetal y tienen gran interés industrial; a este grupo pertenecen los cauchos y las resinas, fuentes de productos como los pegamentos, los neumáticos, etc. También son importantes algunos derivados de los terpenos, como el coenzima-Q o ubiquinona y la plastoquinona, que funcionan como transportadores de electrones en las mitocondrias y/o en los cloroplastos. 26 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los lípidos vitamina A - caroteno El ß-caroteno (tetraterpeno) puede dividirse dando lugar a 2 moléculas de vitamina A (diterpeno). 5.2. ESTEROIDES Todos los esteroides se originan a partir del escualeno, triterpeno lineal que se cicla con facilidad. Se pueden considerar, por tanto, como polímeros ciclados del isopreno. Son moléculas liposolubles complejas derivadas del esterano o ciclopentanoperhidrofenantreno, hidrocarburo saturado con cuatro anillos de carbono condensados, denominados A, B, C y D. Sobre este núcleo de esterano se construyen los esteroides que se diferencian unos de otros por el número y localización de los sustituyentes (grupos hidroxilo, carbonilo, cadenas carbonadas), por el número y posición de los dobles enlaces en los anillos y por su configuración espacial. Esterano Este grupo abarca un gran número de sustancias muy activas metabólicamente, como son los esteroles y las hormonas esteroideas. ESTEROLES Poseen en la posición (A)-3 un grupo hidroxilo y en el carbono (D)-17 una cadena alifática (en el caso del colesterol de 8 átomos de carbono). Principales esteroles: - El colesterol es el más extendido y la base estructural de los demás esteroles. Gracias a su carácter ligeramente anfipático, debido al grupo OH del carbono (A)-3, forma parte de las membranas celulares al lado de los fosfolípidos a los que estabiliza y fija. Es muy abundante también en las vainas mielínicas de las células nerviosas. El colesterol (junto con algunas grasas) puede depositarse en las paredes de las arterias formando ateromas, lo que provoca el estrechamiento y endurecimiento de las propias arterias, con el riesgo consiguiente para la salud. Colesterol - Los ácidos biliares son moléculas responsables de activar el enzima lipasa (encargado de la hidrólisis de los lípidos) y de la emulsión y posterior absorción de los lípidos en el intestino. Se originan en el hígado a partir del colesterol y en su mayor parte son reabsorbidos en el intestino y reutilizados. - El grupo de la vitamina D está formado por esteroles que regulan el metabolismo del calcio y su absorción intestinal. Cada vitamina D proviene de un esterol diferente, así la D3 proviene del colesterol, mientras que la D2 proviene del ergosterol (provitamina de origen vegetal). Bajo ciertas condiciones (irradiación solar) el organismo sintetiza vitamina D3 a partir de ciertos precursores como el ergosterol, por lo que hoy en día hay cierta tendencia a considerarla como una sustancia de tipo hormonal. - Igualmente y dentro de este grupo, se encuentra el estradiol (también llamado foliculina), hormona que se sintetiza en el ovario durante la primera etapa del ciclo menstrual (desde el último día de la regla hasta el día de la ovulación) favorece la maduración del óvulo y, junto con otras hormonas sexuales, regula la expresión de los caracteres sexuales secundarios femeninos. IES Alfonso II Camino Peláez 27 BIOLOGÍA Los lípidos HORMONAS ESTEROIDEAS Poseen en el carbono (A)-3 un grupo carbonilo. Pertenecen a este grupo las hormonas suprarrenales y la mayoría de las hormonas sexuales. - Las hormonas suprarrenales se sintetizan en la corteza de las cápsulas suprarrenales. Las más importantes de ellas son la aldosterona, que regula la actividad renal en cuanto a eliminación de agua y excreción de Na+ y el cortisol o cortisona que actúa en el metabolismo de los glúcidos regulando la síntesis de glucógeno. - Las hormonas sexuales se originan en las gónadas (ovarios y testículos), controlan la madurez sexual, el comportamiento y capacidad reproductora. Entre las hormonas sexuales esteroides están: - La progesterona que se sintetiza en el ovario durante la segunda etapa del ciclo menstrual (desde la ovulación hasta el primer día de la regla) y en caso de embarazo, durante toda la gestación en la placenta. Es, junto con otros estrógenos (hormonas sexuales femeninas), responsable de los caracteres sexuales secundarios femeninos. - La testosterona (andrógeno) se sintetiza en los testículos; es un potente anabolizante y activador del metabolismo basal que favorece la construcción de masa muscular. También es responsable de los caracteres sexuales secundarios masculinos. (Estas hormonas sexuales también se sintetizan en la corteza suprarrenal, si bien en mucha menor cantidad que en las gónadas). - Los invertebrados también tienen hormonas esteroideas, como la ecdisona, que regula las sucesivas mudas (ecdisis) de los artrópodos. Estradiol Progesterona 28 Testosterona IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Las proteínas TEMA 4: LAS PROTEÍNAS Concepto. Clasificación. Funciones biológicas. Los aminoácidos y sus propiedades. Péptidos: el enlace peptídico. Estructura de las proteínas. Principales propiedades de las proteínas. Relación entre la forma y la función biológica de las proteínas. Holoproteínas y heteroproteínas. 1. CONCEPTO DE PROTEÍNAS Las proteínas pueden definirse como polímeros lineales de moléculas de -aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos. Son biomoléculas que contienen C, H, N y O, y casi todas también contienen S; otros bioelementos que con frecuencia forman parte de ellas son: P, Fe, Zn y Cu. De todos estos elementos el más característico de las proteínas es el N: son los compuestos nitrogenados por excelencia de todos los seres vivos. Son macromoléculas de elevada masa molecular: entre 5000 y más de 1000000 u. (unidades de masa atómica) (1u. = 1da. = 1,66.10-24 g). Algunas proteínas están constituidas por un solo polímero de aminoácidos pero otras son grandes edificios moleculares formados por varios polímeros ensamblados que además, en ciertas ocasiones, se encuentran unidos a otras moléculas orgánicas (lípidos y glúcidos principalmente). Las proteínas son las moléculas orgánicas más abundantes en las células (constituyen el 50% o más de su peso seco). Las funciones más importantes y específicas de la materia viva son realizadas por proteínas o por moléculas complejas en cuya composición hay alguna proteína. Se encuentran en todas las partes de la célula, ya que son fundamentales en todos los aspectos de su estructura y de su función. De ello se deduce su gran importancia para los seres vivos (sin proteínas no sería posible la vida). Las proteínas son las moléculas específicas que marcan la individualidad de cada ser vivo e incluso rechazan las de otro. Además son las moléculas mediante las que se expresa la información genética: ADN ARN PROTEÍNA. 2. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS (según su composición) Holoproteínas o proteínas simples Formadas únicamente por aminoácidos Proteínas globulares Protaminas, Histonas, Prolaminas, Gluteínas, Albúminas, Globulinas Prot. fibrosas Colágenos, Queratinas, Elastinas, Fibroínas Porfirínicas Hemoglobina Mioglobina Citocromos No porfirínicas Hemocianina Hemeritrina Cromoproteínas Heteroproteínas o proteínas conjugadas Formadas por aminoácidos y otras moléculas. La parte no protéica se llama grupo prostético. Glucoproteínas FSH (hormona folículo-estimulante) LH (hormona luteinizante) TSH (hormona estimulante del tiroides) Formadoras de membranas Mucoproteínas (mucinas) Ribonucleasas Lipoproteínas Quilomicrones Lipoproteínas sanguíneas Fosfoproteínas Caseína, Vitelina. Nucleoproteínas Asociaciones de ADN-histonas 3. FUNCIONES BIOLÓGICAS DE LAS PROTEÍNAS Las proteínas también pueden clasificarse según su función, aunque algunas intervienen en varias funciones: -Función enzimática: es quizás la función más específica e importante de las proteínas. Son los catalizadores de todas las reacciones bioquímicas que se realizan en las células. Se conocen cerca de 2000 enzimas diferentes, cada uno de los cuales cataliza un tipo diferente de reacción química. Todos los enzimas que controlan el metabolismo celular son de naturaleza proteica (excepto los ribozimas, que son pequeñas moléculas de ARN). Por su importancia los enzimas se estudian con detalle en el siguiente tema. Ejemplos: IES Alfonso II Camino Peláez 29 BIOLOGÍA Las proteínas Enzimas: Reacción que catalizan: Sacarasa Hidrólisis de la sacarosa Hexoquinasa Fosforilación de la glucosa Lactato-deshidrogenasa Oxidación del lactato Citocromo C Oxidación-Reducción (transfiere e-) ADN-polimerasa Replicación y reparación del ADN -Función estructural: las proteínas son un material plástico de gran importancia que es utilizado en casi todas las estructuras celulares: membranas, material extracelular, asociadas al ADN en los cromosomas, citoesqueleto, fibras del huso acromático, cilios y flagelos, ribosomas, etc. Ejemplos: Localización: Proteínas Glicoproteínas Membrana plasmática Queratina Epidermis, uñas, pelos, plumas, pezuñas, cuernos, escamas Colágeno Tejido conectivo (tendones, hueso, cartílago) Elastina Ligamentos, paredes de los vasos sanguíneos, tejido conjuntivo Histonas Cromosomas Fibroína Tela de araña, capullo de seda de las larvas de las mariposas -Función de transporte: muchas sustancias se desplazan por los medios internos de los organismos asociadas a proteínas que consiguen, o bien "solubilizarlas" como en el transporte de lípidos por la sangre, o bien una mayor efectividad como en el transporte del oxígeno por la hemoglobina. Además, también hay proteínas transportadoras en todas las membranas celulares. Ejemplos: Función: Proteínas: Hemoglobina Transporte de oxígeno en la sangre de muchos animales Hemocianina Transporte de oxígeno en la sangre de muchos invertebrados Mioglobina Transporte de oxígeno en los músculos estriados Lipoproteínas Transporte de lípidos en sangre Citocromos Transporte de electrones en mitocondrias y cloroplastos -Función reguladora: las hormonas tienen función reguladora. Algunas hormonas son proteínas o pequeños polímeros de aminoácidos. También tienen función reguladora las proteínas que realizan el control de la multiplicación y diferenciación celular: interaccionan con el ADN para controlar su duplicación y la expresión de los genes. Ejemplos de hormonas: Función: Hormonas: Insulina y Glucagón Regulan el metabolismo de la glucosa (son antagónicos) Adrenocorticotrópica Regula la síntesis de hormonas suprarrenales Somatotropa u hormona del crecimiento Estimula el crecimiento de los huesos -Función de defensa: algunas proteínas realizan una función protectora o defensiva. Se encuentran especialmente en la sangre de los Vertebrados. Son, por ejemplo, las que participan en la coagulación sanguínea (trombina, fibrinógeno) y las que intervienen en los procesos inmunológicos (anticuerpos o inmunoglobulinas, que se combinan con proteínas o con cuerpos extraños neutralizándolos). Ejemplos: Función: Proteínas Anticuerpos Forman complejos con proteínas extrañas Complemento Forman complejos con algunos sistemas Antígeno-Anticuerpo Fibrinógeno Precursor de la fibrina en la coagulación Trombima Componente del mecanismo de coagulación Mucinas Germicidas y protectoras de las mucosas digestivas y respiratorias -Función de reserva: algunas proteínas desempeñan la función de almacenar aminoácidos como elementos nutritivos, generalmente para proporcionárselos al embrión en desarrollo. Ejemplos: Localización: Proteínas: Ovoalbúmina Clara de huevo Caseína Leche Ferritina Bazo (reserva de Fe) Gliadina Semilla de trigo Ceina Semilla de maíz -Función contráctil: algunas proteínas son las responsables de los movimientos que pueden realizar las células. Ejemplos: Localización: Proteínas: Actina y Miosina Contracción muscular Dineina Contracción de cilios y flagelos Tubulinas Microtúbulos 30 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Las proteínas -Función homeostática: en el medio interno celular y extracelular hay proteínas que mantienen el equilibrio osmótico (ej: albúminas) y que actúan el los sistemas tampón para regular el pH. -Función tóxica: numerosas toxinas (sustancias tóxicas para los animales superiores, aún en cantidades muy pequeñas) son de naturaleza proteica. Ejemplos: Función: Proteínas Toxina de Clostridium botulinum Envenenamiento de alimentos Venenos de serpiente Hidrólisis de fosfolípidos 4. LOS AMINOÁCIDOS Son las unidades estructurales de las proteínas, los monómeros que enlazados y repetidos muchas veces, forman los distintos tipos de proteínas. Químicamente son moléculas orgánicas que se caracterizan por poseer un grupo carboxilo y un grupo amino unido al carbono , de ahí el nombre de -aminoácidos. (El carbono es el más próximo al grupo carboxilo). A veces se utiliza el símbolo o aa para hacer referencia a los aminoácidos. Todos los que forman las proteínas, salvo la prolina, responden a la fórmula general expresada al margen. En ella R representa el radical o "resto" de la molécula, lo que diferencia a unos aminoácidos de otros. R puede ser un simple H o algo más complejo como un anillo hexagonal, una corta cadena alifática, etc. En las proteínas naturales hay 20 aminoácidos diferentes que son prácticamente los mismos para todos los seres vivos (En casos muy raros, por ejemplo en los venenos de algunas serpientes, se pueden encontrar otros aminoácidos diferentes de estos 20 e incluso aminoácidos que no siguen la fórmula general). La mayoría de los aminoácidos pueden sintetizarse unos a partir de otros, pero existen algunos que no pueden obtenerse de esta manera y tienen que ser adquiridos con la dieta habitual: son aminoácidos esenciales. Los esenciales son diferentes para cada especie, en el ser humano, por ejemplo, son diez: Thr, Lys, Arg, His, Val, Leu, Ile, Met, Phe y Trp. 4.1. Propiedades ópticas de los aminoácidos: Todos los , excepto la Glicina, presentan isomería óptica, por poseer, al menos un carbono asimétrico (el carbono ). Todos los aminoácidos con actividad óptica hallados en las proteínas pertenecen a la serie L; unos son dextrógiros (+) y otros levógiros (-). (Un aminoácido es D cuando tiene el grupo amino a la derecha y es L cuando lo tiene a la izquierda; el que sea D o L no quiere decir que desvíe la luz polarizada hacia la derecha o la izquierda respectivamente). 4.2. Comportamiento químico de los aminoácidos: En disolución acuosa son anfóteros, esto quiere decir que pueden comportarse como ácidos o como bases según las circunstancias: - A pH próximo a la neutralidad (entre 6 y 7) los grupos amino y carboxilo se encuentran ionizados, formando un ion doble llamado zwitterion. - En un medio ácido absorben protones, comportándose como bases y quedando con carga positiva (catión). - En un medio básico, ceden protones, comportándose como ácidos y quedando con carga negativa (anión). Teniendo en cuenta que los radicales R de algunos también tienen carga eléctrica cuando están en disolución, para cada aminoácido, y por extensión, para cada proteína, existirá un pH para el cual la carga neta es cero, es decir, el aminoácido estará ionizado, pero sin carga eléctrica porque sus cargas positivas y negativas estarán equilibradas. A este pH se le denomina punto isoeléctrico (PI). 4.3. Clasificación de los aminoácidos: Los 20 aminoácidos que forman las proteínas se clasifican en cuatro tipos según la polaridad de sus radicales R cuando de encuentran en disolución acuosa a pH entre 6 y 7 (pH intracelular): IES Alfonso II Camino Peláez 31 BIOLOGÍA Las proteínas GRUPO I: Radical neutro y apolar: R suele ser de naturaleza hidrocarbonada. Todos ellos son hidrófobos. Son: Alanina (ALA), Valina (VAL), Leucina (LEU), Isoleucina (ILE), Prolina (PRO), Fenilalanina (PHE), Triptófano (TRP) y Metionina (MET). GRUPO II: Radical neutro y polar: Son hidrófilos ya que sus radicales R pueden establecer enlaces de H con el agua porque poseen grupos hidroxilo, sulfhídrilo o amida. Son: Serina (SER), Treonina (THR), Cisteína (CYS), Tirosina (TYR), Asparagina (ASN) y Glutamina (GLN). En este grupo suele incluirse también la Glicina o Glicocola (GLY), que en realidad está en la frontera entre los grupos 1 y 2; aunque a veces se clasifica como no polar, su grupo R (un átomo de H) es demasiado pequeño para que pueda influir en la elevada polaridad de los grupos amino y carboxilo. GRUPO III: Radical básico (con carga positiva): R contiene uno o más grupos amino, por lo que son hidrófilos. Son: Lisina (LYS), Arginina (ARG) e Histidina (HIS). GRUPO IV: Radical ácido (con carga negativa): R contiene un grupo ácido, por lo que son hidrófilos. Son: Ácido aspártico o aspartato (ASP) y Ácido glutámico o glutamato (GLU). GRUPO I GRUPO II GRUPO III 32 IES Alfonso II Camino Peláez GRUPO IV BIOLOGÍA Las proteínas 5. LOS PÉPTIDOS: EL ENLACE PEPTÍDICO 5.1. El enlace peptídico: Los aminoácidos se unen entre si para formar las proteínas, y lo hacen mediante enlace peptídico o de amida que se forma por eliminación de una molécula de agua entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del aminoácido siguiente; (los grupos R no intervienen). La configuración espacial de este enlace es tal, que los átomos del grupo carboxílico y del grupo amino se sitúan en un mismo plano con ángulos y distancias fijos. Características del enlace peptídico: - Es un enlace covalente muy resistente, lo que hace posible el gran tamaño y estabilidad de las proteínas. - El enlace sencillo C-N del enlace peptídico posee alrededor de un 40% de carácter de doble enlace, y el enlace doble C=O posee cerca de un 40% de carácter de enlace sencillo: estabilización por resonancia. Este hecho tiene dos consecuencias importantes: El grupo NH del enlace peptídico no posee tendencia a ionizarse (a captar protones). El enlace C-N del enlace peptídico es un enlace rígido y no puede girar libremente. - Las distancias y los ángulos entre los cuatro átomos del enlace peptídico -CO-NH- se mantienen constantes y esos 4 átomos, junto con los dos átomos de carbono adyacentes, se encuentran colocados en el mismo plano, de modo que el O (del grupo CO) y el H (del grupo NH) están en posición TRANS uno respecto del otro. En resumen: el enlace peptídico da lugar a una ordenación planar rígida debido a la estabilización por resonancia, lo que impone restricciones al plegamiento de la cadena proteica, pues solamente los enlaces sencillos de los carbonos tienen libertad de giro. 5.2. Los péptidos: Están formados por la unión de aminoácidos mediante enlaces peptídicos. Si el número de aminoácidos es inferior a diez se denominan oligopéptidos (dipéptidos, tripéptidos, tetrapéptidos, etc); si es mayor de diez, se denominan polipéptidos. Si el polipéptido tiene más de cien aminoácidos o un peso molecular superior a 5000 u., se denomina proteína. A los péptidos también se les puede llamar cadenas peptídicas o polipeptídicas. Ejemplos de péptidos: la insulina (dos cadenas de 21 y 30 unidas por dos puentes disulfuro entre cisteínas), la encefalina (5 ) que se produce en las neuronas cerebrales y elimina la sensación de dolor; la hormona oxitocina (9 ) de la hipófisis, que produce las contracciones del útero durante el parto. Los péptidos se nombran mencionando la secuencia de aminoácidos comenzando por el que lleva el grupo amino terminal. Hay que tener en cuenta que en un extremo de la molécula queda un grupo amino libre (extremo Nterminal o amino-terminal) y en el otro un grupo carboxilo libre (extremo C-terminal o carboxilo-terminal). 6. ESTRUCTURA O CONFORMACIÓN DE LAS PROTEÍNAS La estructura o conformación de una proteína es la disposición que adopta la molécula en el espacio. La conformación es un estado estructural que puede interconvertirse con otros sin romper enlaces covalentes; en condiciones normales de pH y temperatura, las cadenas peptídicas poseen una única conformación estable que es la responsable de sus funciones biológicas (aunque en ciertos péptidos es posible más de una conformación estable). La estructura o conformación proteica es muy complicada, por ello, para su estudio, se distinguen varios aspectos o niveles estructurales (niveles de complejidad) que se denominan: estructura primaria, estructura secundaria, estructura terciaria y estructura cuaternaria. IES Alfonso II Camino Peláez 33 BIOLOGÍA Las proteínas A) LA ESTRUCTURA PRIMARIA: Se refiere a la secuencia u orden que siguen los aminoácidos de la proteína (es decir, los aminoácidos que la componen y el orden en que están colocados unos respecto de otros). Toda cadena peptídica está polarizada: posee dos extremos bien definidos: el extremo N-terminal y el extremo C-terminal. Al enumerar los de una proteína se hace desde el extremo N-terminal hacia el C-terminal: NH2-Gly--Gly--Lys-- .......--Val--Leu-COOH La estructura primaria es de gran importancia porque de ella van a depender todos los demás niveles estructurales de la proteína. La alteración de la secuencia de de un polipéptido da lugar a una proteína diferente que incluso puede perder toda actividad biológica o realizar una función diferente de la original. Dos polipéptidos son diferentes aunque tengan exactamente los mismos aminoácidos si éstos están dispuestos en orden diferente. La estructura primaria se mantiene gracias a los enlaces peptídicos entre aminoácidos; la secuencia en que se encadenan los aminoácidos depende de la secuencia que sigan las bases nitrogenadas en el gen (ADN) que codifique para ese péptido en cuestión. B) LA ESTRUCTURA SECUNDARIA: Consiste en la ordenación regular y periódica en el espacio de la secuencia de o estructura primaria (a lo largo de una dirección) debido al establecimiento de numerosos enlaces de puente de hidrógeno que se forman entre el O del grupo CO de un enlace peptídico y el H del grupo NH de otro enlace peptídico que queda próximo. Es estable debido a la capacidad de giro de todos los enlaces (excepto los enlaces peptídicos) y al elevado número de enlaces de hidrógeno; los grupos R no intervienen. Se conocen básicamente tres tipos de estructuras secundarias: La -hélice, la hélice de colágeno y la disposición o lámina plegada. (También puede haber zonas con enrollamiento al azar: su estructura secundaria no sigue ninguno de los 3 modelos citados). -Hélice: la cadena de se enrolla sobre sí misma, en forma de hélice que gira hacia la derecha, debido a la especial disposición en que se van orientando los al enlazarse y que determina que cada plano que contiene un enlace peptídico realice un giro determinado respecto al plano anterior: - Al iniciarse un enlace peptídico se realiza un giro respecto al plano del enlace peptídico anterior de unos 100º del mismo modo que lo hace una puerta cuando la abrimos. - Al mismo tiempo se produce una rotación de unos 180º alrededor de un eje, que se sitúa ligeramente por encima de la parte central del plano, que lo deja en situación invertida respecto a la que poseía en un principio. La hélice da una vuelta por cada 3,6 restos de aminoácidos, de manera que los grupos C=O de una espira quedan frente a los grupos -NH de la espira inferior, formándose cuatro enlaces de Estructura secundaria en hélice hidrógeno entre cada dos espiras, que estabilizan toda esta estructura. Todos los enlaces peptídicos participan en el establecimiento de enlaces de hidrógeno; los radicales R no intervienen; por ello muchas secuencias diferentes de aminoácidos asumen espontáneamente esta estructura. Hélice de colágeno: su disposición es similar a la anterior, pero la hélice que resulta está más distendida porque la abundancia del prolina y su derivado, la hidroxiprolina (R muy voluminoso), dificultan la formación de puentes de hidrógeno entre las espiras. La estabilidad final de ésta estructura se consigue con la asociación, mediante puentes de hidrógeno, de tres hélices para formar una superhélice. Es una estructura prácticamente exclusiva del colágeno, de ahí su nombre. Superhélice de colágeno 34 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Las proteínas Disposición o lámina plegada: varias cadenas peptídicas (o varios tramos de la misma cadena) se disponen en paralelo y se unen por medio de enlaces de H que, como en el caso de la hélice se forman entre los grupos CO y NH de los enlaces peptídicos; todos los enlaces peptídicos participan en la formación de enlaces de H, y así confieren gran estabilidad a la estructura. Las cadenas pueden disponerse en el mismo sentido (paralelas) o en sentidos opuestos (antiparalelas). Las cadenas se disponen plegadas en zig-zag, siendo los puntos de plegamiento los carbonos , por lo que el conjunto de cadenas paralelas constituye una lámina plegada; los grupos R quedan por encima y por debajo de los planos en zig-zag de la lámina plegada. C) LA ESTRUCTURA TERCIARIA: Es la disposición que adquiere en el espacio la cadena peptídica, con su estructura secundaria. Una secuencia de aminoácidos, en -hélice o disposición , normalmente no se dispone en línea recta, sino que se dobla o retuerce, adquiriendo su estructura terciaria. La estructura terciaria es consecuencia de las interacciones entre los radicales R de los aminoácidos. Se distinguen dos tipos de estructuras terciarias: la filamentosa (propia de las proteínas fibrosas) y la globular (propia de las proteínas globulares). - Proteínas fibrosas: constituidas por cadenas peptídicas ordenadas de modo paralelo a lo largo de un eje, formando fibras o láminas largas; no se retuercen, por lo que se puede decir que carecen de estructuras terciarias. Suelen tener estructuras secundarias de disposición o hélice de colágeno. Suelen ser estructurales, de protección o ambas cosas a la vez. Son insolubles en agua y soluciones salinas. Ej: queratina, colágeno, elastina, fibroína etc. - Proteínas globulares: son las que realmente adquieren estructuras terciarias; están constituidas por cadenas peptídicas en las que la estructura secundaria se pliega varias veces hasta adquirir una forma compacta más o menos esférica (globular). Su estructura secundaria presenta tramos en -hélice, tramos en disposición y tramos con enrollamiento al azar. Suelen ser dinámicas o dinámico-estructurales, solubles en agua y/o disoluciones salinas (forman dispersiones coloidales). Ej: la mayoría de los enzimas, los anticuerpos, algunas hormonas, proteínas de membrana, algunas proteínas Modelo de la mioglobina transportadoras (seroalbúmina, hemoglobina). En una proteína globular pueden existir diferentes segmentos de -hélices, que se suelen representar como un muelle o hélice y de láminas , que se Disposición suelen representar como una flecha, pero siempre se encuentran las formas en el centro y las formas -hélice en la superficie. hélice Principales tipos de interacciones o enlaces que mantienen estable la estructura terciaria: - Enlaces de hidrógeno: entre radicales R polares neutros (que pueden estar más o menos distantes en la cadena peptídica) o entre radicales R polares y el agua que rodea a la molécula. - Enlaces iónicos (interacciones electrostáticas): entre radicales R cargados positiva y negativamente (interacciones ácido-base). - Interacciones hidrofóbicas y débiles fuerzas de Van der Waals entre radicales R apolares. - Puentes disulfuro: entre dos con azufre (ej: cisteína); se trata de un enlace covalente fuerte (los anteriores son enlaces débiles). IES Alfonso II Camino Peláez 35 BIOLOGÍA Las proteínas Las proteínas globulares que se hallan en medio acuoso siempre se doblan de manera que los radicales hidrófobos quedan en el centro y los hidrófilos en la superficie. En el caso de las proteínas de membrana, que están inmersas en un ambiente lipídico, sus radicales hidrófobos se disponen también en la superficie. La estructura terciaria es consecuencia de las propiedades de los radicales R (depende de la secuencia de : estructura primaria); es específica de cada proteína y necesaria para su función biológica. Niveles estructurales de la conformación proteica (desde la estructura primaria hasta la cuaternaria) D) LA ESTRUCTURA CUATERNARIA Cuando varias cadenas de , iguales o diferentes, se unen para formar un edificio proteico de orden superior, se disponen según lo que se llama estructura cuaternaria. También se considera estructura cuaternaria la unión de una o varias cadenas peptídicas a otras moléculas no proteicas para formar macromoléculas complejas. 36 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Las proteínas Este nivel estructural, por tanto, lo poseen las proteínas que están formadas por dos o más cadenas peptídicas. Estas proteínas se denominan proteínas oligoméricas y sus cadenas componentes se denominan subunidades o protómeros. Según el número de protómeros se distinguen: dímeros, tetrámeros, pentámeros o polímeros. La unión de las moléculas que forman una estructura cuaternaria, se consigue y mantiene (además de con los enlaces necesarios para los niveles estructurales anteriores) mediante enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas e hidrobóbicas y algún que otro puente disulfuro. Un ejemplo es la hemoglobina, constituida por cuatro subunidades de la proteína globina (dos cadenas y dos cadenas ) a cada una de las cual se halla unido un grupo Hemo (parte no proteica) mediante enlaces no covalentes. Las cuatro subunidades se acoplan en una ordenación aproximadamente tetraédrica formando un conjunto globular compacto de considerable estabilidad a pesar de que entre ellas tampoco se establecen enlaces covalentes. La estructura cuaternaria de la hemoglobina es la responsable de su actividad biológica, dicha función se puede ver alterada cuando hay modificación de la secuencia de o estructura primaria: en el caso de la anemia falciforme, el aminoácido nº 6 de las cadenas (GLU) es sustituido por VAL, como consecuencia de esto se produce un ensamblaje anormal de los componentes de la hemoglobina que tiene como consecuencia la pérdida de su funcionalidad; transporta menor cantidad de O2 y los eritrocitos adoptan forma de hoz. 7. PRINCIPALES PROPIEDADES DE LAS PROTEÍNAS Las propiedades de una proteína dependen de los restos o radicales de los que quedan expuestos en su superficie después de adquirida la conformación definitiva. Estos radicales pueden interaccionar mediante enlaces, covalentes o no covalentes, entre sí y con otras moléculas. - Solubilidad. Muchas proteínas (sobre todo globulares) en soluciones acuosas forman dispersiones coloidales debido a la polaridad de algunos radicales hidrófilos de los que se quedan dispuestos en la periferia de la molécula. Cada macromolécula proteica queda rodeada de moléculas de agua y no contacta con otras macromoléculas gemelas por lo que no puede producirse la precipitación. - Desnaturalización. Las alteraciones de la concentración salina, del grado de acidez o de la temperatura (calor) provocan la pérdida de solubilidad de las proteínas y la consecuente precipitación. Este proceso se llama desnaturalización; es debido a la desaparición de enlaces débiles (puente de hidrógeno, Van der Waals, etc.) y no afecta a los enlaces peptídicos y por tanto a la estructura primaria; sin embargo al alterarse la conformación, la proteína pierde su función biológica. Puede existir una renaturalización casi siempre, excepto cuando el agente causante de la desnaturalización es el calor o los ácidos fuertes (coagulación de la leche, huevos fritos, "permanente" del cabello, etc). - Especificidad. Cada especie y cada individuo tiene sus propias proteínas específicas. Las proteínas son moléculas que marcan la individualidad del ser vivo; en ellas se expresa la información genética; por ello cada especie de organismo contiene un conjunto característico de proteínas químicamente diferentes de las de otras especies; e incluso dentro de la misma especie hay diferencias entre las proteínas de los distintos individuos. (Esto no ocurre con los glúcidos y lípidos que son comunes a numerosos seres vivos). Esto se debe a que en las proteínas existen sectores fijos, que tienen siempre la misma secuencia de , y sectores variables que pueden alterar la secuencia de sus sin que se altere la función biológica; por ello, a lo largo de la evolución, se han desarrollado infinidad de moléculas proteicas diferentes para cumplir la misma función. La especificidad de las proteínas depende de los sectores variables y a ellos se deben los problemas de rechazos en los transplantes de órganos. Por ejemplo la insulina consta de 51 en todos los mamíferos, que están distribuidos en dos cadenas, de 21 y 30 respectivamente, unidas mediante dos enlaces disulfuro; de éstos 51 , la mayoría son los mismos en todos los casos, pero unos pocos (tres de la cadena corta) varían de unas especies a otras. IES Alfonso II Camino Peláez 37 BIOLOGÍA Las proteínas - Amortiguadoras de pH. Esta propiedad está íntimamente relacionada con la carga eléctrica; las proteínas tienen un comportamiento anfótero: tienen al menos un grupo carboxilo y un grupo amino (en sus extremos); pueden tener además numerosos grupos en sus radicales (carboxilo, amino, hidroxilo, sulfhidrilo); todos ellos pueden estar en forma disociada o no dependiendo del pH. (Mayoritariamente las proteínas tienen carga negativa). Su carácter anfótero permite a las proteínas amortiguar los cambios bruscos del pH, liberando o absorbiendo H+ según se encuentren en un medio básico o ácido respectivamente. 8. RELACIÓN ENTRE LA FORMA Y LA FUNCIÓN BIOLÓGICA DE LAS PROTEÍNAS Teniendo en cuenta la gran homogeneidad química de las proteínas, está claro que los diferentes papeles biológicos de éstas están muy relacionados con su forma o estructura estable en condiciones biológicas normales. En una estructura proteica se pueden reconocer, al menos, dos zonas muy importantes: El centro activo y los dominios estructurales. Centro activo: La mayoría de las proteínas, aunque realizan actividades muy diversas, funcionan por unión selectiva a moléculas en equilibrio dinámico. Ejs: los enzimas (E) se unen al sustrato (S) (compuesto cuya reacción catalizan) formando un complejo E-S, que tras la reacción química correspondiente se descompone liberándose el o los productos y el enzima; los anticuerpos se unen de modo irreversible a antígenos específicos a los que neutralizan; la hemoglobina capta oxígeno en los pulmones y lo libera en los tejidos. Se llama ligando a cualquier molécula que interaccione con una proteína o complejo proteico. Para que la unión entre la molécula proteica y otra molécula sea eficaz, se requiere que se formen entre ellas simultáneamente un cierto nº de enlaces débiles. Por ello las únicas moléculas que pueden fijarse fuertemente a una proteína son las que se adaptan a su superficie. El ligando debe "encajar" en algún lugar de la proteína que se llama centro activo o locus. Una proteína puede tener varios centros activos o loci. Cada centro activo está formado por unos pocos aminoácidos que pueden estar muy distantes unos de otros en la estructura primaria de la proteína, pero que debido a los pliegues y repliegues que marcan las estructuras secundaria, terciaria y, en su caso, cuaternaria, se quedan localizados muy próximos entre sí y, sobre todo, formando una especie de hueco donde encajará el ligando. El resto de los de la proteína tienen como misión mantener la forma y la estructura que se precisa para que el centro activo se encuentre en la posición correcta. Para que una proteína y un ligando se unan o se reconozcan deben establecerse entre ellos varios puntos de interacción (enlaces débiles). Estas interacciones se deben a que ciertos radicales de los de la proteína, que están en el centro activo de la molécula, tienen afinidad química por determinados grupos funcionales presentes en el ligando. Algunas veces la unión proteína-ligando es irreversible como ocurre con las reacciones antígeno-anticuerpo. Otras veces es perfectamente reversible. Dominios estructurales: Los Dominios estructurales pueden considerarse como el grado de máxima complejidad de la estructura terciaria. Están formados por ciertas combinaciones de -hélices y láminas que son muy estables y han tenido tanto éxito evolutivo que se repiten en proteínas diferentes, tanto dinámicas como estructurales, de especies diferentes. Por ejemplo el llamado plegamiento de mononucleótido que está presente en numerosos enzimas que utilizan como coenzimas a ciertos nucleótidos como el NAD, el FMN o el ATP. En este caso, el dominio estructural es la zona de la parte proteica de estos enzimas, que reconoce y se une al coenzima. En un principio los polipéptidos presentan cierta capacidad para cambiar de forma según factores como el pH, los ligandos a los que puedan unirse, etc. La evolución, con la constante repetición de dominios estructurales, está actuando en contra de esta capacidad, como demuestra la existencia de numerosos dominios estructurales que se repiten en una gran variedad de proteínas de forma y funciones diferentes. A pesar de ello, algunas proteínas conservan la propiedad de cambiar su conformación de una manera reversible. Son proteínas que tienen dos o más posibilidades estables en el espacio y que pueden pasar de una forma a otra según que estén unidas a un ligando o a otro. Con frecuencia, cuando tienen una forma determinada son activas y cuando adoptan la "otra" forma, son inactivas. Esta propiedad se denomina ALOSTERISMO; las proteínas que la presentan son casi siempre enzimas y se llaman enzimas alostéricos. 38 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Las proteínas 9. HOLOPROTEÍNAS Y HETEROPROTEÍNAS Las proteínas pueden clasificarse según su actividad biológica en enzimáticas, estructurales, etc. Otra clasificación, basada en su composición, las divide en dos clases principales: Holoproteínas y Heteroproteínas. 9.1. HOLOPROTEÍNAS También se llaman proteínas simples: son aquellas que por hidrólisis producen solamente aminoácidos. Se clasifican según su peso molecular y su conformación espacial en: - Globulares: PESO MOLECULAR SOLUBILIDAD EJEMPLOS Protaminas. Asociadas al ADN. Próximo a 5000 Solubles en agua. No coagulan por el calor. Histonas. Asociadas al ADN eucariótico. Entre 10 000 y 20 000 Solubles en agua. Forman con el ADN la estructura del "collar de perlas". Prolaminas. En semillas vegetales. Ricas en prolina. Menor de 40 000 Insolubles en agua. Zeína (maíz), gliadína (trigo), Hordeína (cebada), etc. Menor de 40 000 Insolubles en agua. Solubles en ácidos y bases diluidas. No coagulan por el calor. Orizanína (arroz), Glutenina (trigo). Gluteninas. En semillas vegetales. Clupeína (arenque), Salmina (salmón), Esturina (esturión). Albúminas. En la sangre y otros líquidos tisulares. Principal reserva proteica. Regulan la presión osmótica de la sangre. Entre 30 000 y 100 000 Solubles en agua. Seroalbúminas de la sangre (función transporte). Lactoalbúminas y Ovoalbúminas. Globina que forma parte de la hemoglobina. Globulinas Muy abundantes y dinámicas o dinamo-estructurales. Entre 100 000 y 1 000 000 Solubles en disoluciones salinas. Algunas solubles en agua. Ovoglobulina, lactoglobulina, Seroglobulinas como las -globulinas (anticuerpos). - Fibrosas, filamentosas o escleroproteínas: Colágenos. Peso molecular de 70 000 aproximadamente. Presentes en los tejidos conjuntivos, cartilaginosos y óseos. Si se hierven en agua se despolimerizan, se hidratan y forman las gelatinas comestibles. Si se tratan con taninos se insolubilizan y se precipitan y éste es el fundamento en que se basa el curtido de las pieles. Elastinas. Se diferencian de los colágenos porque no forman gelatinas. Formadas por cadenas polipeptídicas que se unen mediante enlaces covalentes, pueden desenrollarse y enrollarse cada vez que se les aplica una tensión. Queratinas. Con abundante cisteína. Están presentes en las formaciones epidérmicas: pelo, plumas, uñas, etc. Fibroínas. Con gran resistencia mecánica. Presentes en la seda, tela de araña, etc. 9.2. HETEROPROTEÍNAS También se llaman proteínas conjugadas: son aquellas que por hidrólisis no sólo producen aminoácidos sino también otros componentes orgánicos o inorgánicos. Por tanto están formadas por una proteína o proteínas que forman el grupo proteico, y otra molécula o moléculas no proteicas que forman el grupo prostético. Las heteroproteínas se clasifican según la naturaleza de su grupo prostético en: - Fosfoproteínas: Su grupo prostético es el ácido ortofosfórico, que se une a la proteína por enlace éster. Son proteínas de reserva de aminoácidos. Ejemplos: la caseína de la leche y la vitelína de los huevos. IES Alfonso II Camino Peláez 39 BIOLOGÍA Las proteínas - Glicoproteínas (o glucoproteínas): Su grupo prostético es un glúcido como glucosa, galactosa o un oligosacárido. Ejemplos: - Algunas hormonas como las gonadotropas FSH (folículo estimulante) y LH (luteinizante) que estimulan la ovulación; la TSH (tiroestimulina: estimula la producción hormonal por parte del tiroides) y otras hormonas hipofisarias. - Las mucoproteínas o mucinas, siempre extracelulares, como las secreciones mucosas de las vías respiratorias y de las glándulas salivales. - Las glicoproteínas de la sangre como la protrombina (coagulación) y las inmunoglobulinas (anticuerpos). - Algunos enzimas, como las ribonucleasas. - Las glicoproteínas de las membranas plasmáticas. - Lipoproteínas: Su grupo prostético son ácidos grasos, o algún lípido polar o neutro que se une a la proteína mediante un enlace no covalente, casi siempre hidrofóbico. Las más conocidas son transportadoras de lípidos desde el intestino hasta el hígado y desde el hígado hasta las membranas celulares, los músculos y demás tejidos. Para facilitar este transporte rodean las capas hidrófobas de los lípidos con una capa hidrófila. Se clasifican según su densidad, que es una manera de medir su contenido en lípidos: a mayor contenido en lípidos, menor densidad. Ordenadas de menor a mayor densidad, se pueden destacar las siguientes: - Los quilomicrones, que transportan las grasas desde las vellosidades intestinales hasta el tejido adiposo y el hígado. - Las VLDL, (lipoproteínas de muy baja densidad), que transportan los triglicéridos formados en el hígado (a partir de azúcares) hasta el tejido adiposo y otros órganos. - Las LDL, (lipoproteínas de baja densidad), que transportan el colesterol y otros lípidos que forman parte de las membranas celulares desde el hígado hasta los tejidos. Un exceso de estas lipoproteínas favorece el desarrollo de la arteriosclerosis. - Las HDL, (lipoproteínas de alta densidad). Pueden esterificar las moléculas de colesterol y de esta manera retirar de las paredes de las arterias el colesterol allí depositado que es transportado hasta el hígado. Disminuyen el riesgo de padecer arteriosclerosis. - Cromoproteínas: Su grupo prostético es un pigmento (una sustancia coloreada). Según cuál sea esa sustancia pueden ser de dos tipos: Porfirinas: la sustancia coloreada es una metalporfirina formada por el grupo tetrapirrol unido a un átomo metálico. Si ese catión metálico es el (Fe++) se forma el grupo Hemo que se encuentra en la hemoglobina y la mioglobina. Si es el (Fe+++) se forma el grupo Hemino que se encuentra por ejemplo en las peroxidasas y catalasas. En algunos casos ese ión puede pasar de férrico a ferroso y viceversa, como ocurre en los citocromos. Ese catión también puede ser el (Co++), como en la vitamina B12, o el Mg++, como en la clorofila (La clorofila no es una proteína pero se cita aquí por contener una Grupo HEMO asociado a la metalporfirina). proteína y al O2 Pigmentos no porfirínicos. No son autenticas porfirinas pero funcionan de manera muy similar: transportan O2 , iones o electrones. Ejemplos: la hemocianina, pigmento respiratorio con cobre que se encuentra en moluscos y crustáceos; la hemeritrina, pigmento respiratorio con hierro, que se encuentra en los anélidos marinos (los terrestres tienen hemoglobina) y en los braquiópodos. - Nucleoproteínas. Su grupo prostético son ácidos nucleicos. Por su extraordinaria importancia se estudian en un tema específico (ver tema 6). 40 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los enzimas TEMA 5: LOS ENZIMAS Principales características de los enzimas. Mecanismo de acción de los enzimas: catálisis enzimática. Complejos multienzimáticos. Estructura de los enzimas. Los coenzimas. Regulación de la actividad enzimática: regulación genética y modulación de la actividad enzimática. Enzimas alostéricos. Especificidad enzimática. Isoenzimas. Clasificación de los enzimas. Las vitaminas. 1.- PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS ENZIMAS 1. Son proteínas globulares solubles en agua que ejercen su acción biológica uniéndose selectivamente a determinadas moléculas llamadas sustratos, sobre las que provocan ciertas modificaciones químicas como ruptura, formación o redistribución de enlaces covalentes, pérdida o introducción de algún grupo funcional, etc. Los enzimas se combinan momentáneamente con los sustratos cuya transformación catalizan. El resultado de esta unión enzima-sustrato es la transformación del sustrato en otra molécula o moléculas diferentes llamadas productos. 2. Los enzimas se liberan sin cambios después de haber catalizado la conversión de los reactivos (sustratos) en productos. 3. Los enzimas son específicos en su actividad; cada enzima cataliza la reacción de un único tipo de moléculas o de un grupo muy próximo de ellas. 4. Los enzimas se saturan a altas concentraciones de sustrato. 5. Algunos enzimas contienen moléculas no proteicas llamadas cofactores que contribuyen a su actividad. Los cofactores inorgánicos siempre son iones metálicos. Los cofactores orgánicos, llamados coenzimas, son moléculas complejas derivadas casi siempre de vitaminas. 6. Algunos enzimas son muy sensibles a la temperatura y al pH. 7. Los enzimas aceleran la reacción pero no determinan si ésta es o no espontánea, ni el sentido en el que transcurre. Los criterios que deciden si una reacción es reversible o irreversible son de tipo termodinámico y, si es reversible, el sentido lo decide la concentración de los productos y de los sustratos. Los enzimas no modifican la constante de equilibrio. 2.- MECANISMO DE ACCIÓN DE LOS ENZIMAS: CATÁLISIS ENZIMÁTICA Una reacción química se produce cuando cierta cantidad de moléculas de sustrato poseen la energía suficiente para alcanzar un estado de transición en el que es probable que se rompan o se formen los enlaces que transforman el sustrato en producto. El momento de máxima energía de la transformación es muy efímero y en ese momento se dice que el sustrato está activado. La cantidad de energía necesaria para llevar un mol de una sustancia a dicho estado de transición se denomina energía de activación. Todas las reacciones, tanto las que consumen energía o endergónicas, como las que liberan energía o exergónicas; necesitan ese empuje inicial. Para que la reacción tenga lugar hay que suministrar la energía de activación necesaria o producir un descenso de ésta. Uno de los métodos para aumentar la velocidad de una reacción química consiste en elevar la temperatura; con ello aumenta el número de moléculas capaces de alcanzar el estado de transición, ya que provoca un incremento del movimiento térmico y de la energía. Pero esto no es posible en los seres vivos. Otro método consiste en aumentar la velocidad de la reacción mediante un catalizador; éste se combina de modo transitorio con el sustrato produciéndose un estado de transición de menor energía de activación que el correspondiente a la reacción no catalizada. Así es como actúan los enzimas, facilitando al sustrato la llegada al nivel de activación: el enzima se une al sustrato y lo activa, rebajando de esta manera la energía de activación necesaria. Cada enzima dispone de uno o varios centros activos o loci que pueden unirse al sustrato. El centro activo puede considerarse como una especie de hueco donde encaja el sustrato tanto física como químicamente. Existe una relación entre el enzima y el sustrato equivalente a la que existe entre una cerradura y su llave. IES Alfonso II Camino Peláez 41 BIOLOGÍA Los enzimas La actuación del enzima puede resumirse de la siguiente manera: se une al sustrato, forma el complejo enzima-sustrato o complejo activado, se produce la transformación química del sustrato en producto y se libera el enzima dispuesto para actuar otra vez. Las reacciones metabólicas celulares ocurren según secuencias ordenadas y están catalizadas, más o menos específicamente, por enzimas que hacen posible que se lleven a cabo en condiciones compatibles con la vida. 3.- COMPLEJOS MULTIENZIMÁTICOS En ocasiones, una transformación química es más complicada de lo que requiere la intervención de un solo enzima y son varios los que actúan sobre el sustrato simultánea o secuencialmente; se trata entonces de un complejo multienzimático. Un ejemplo de actuación simultánea es la transformación del ácido pirúvico en acetil-SCoA. Se necesita descarboxilar, deshidrogenar (oxidación) y unir la molécula con el coenzima A. Esta transformación compleja es llevada a cabo por un complejo multienzimático que recibe el nombre de piruvato deshidrogenasa y está formado por varios enzimas agrupados en un edificio macromolecular que es visible al microscopio electrónico en el interior de las mitocondrias. Otros complejos multienzimáticos controlan reacciones secuenciadas, es decir transformaciones dónde el producto de una reacción es el sustrato de la siguiente. A la célula le interesa el producto final y no los intermedios y por ello o actúan todos los enzimas juntos o no actúa ninguno. En el esquema (arriba) los enzimas E1, E2 y E3 forman parte de un complejo multienzimático. Algunos enzimas son activos desde el momento en que son sintetizados, mientras que otros según son sintetizados son inactivos y para pasar al estado activo precisan de algún tipo de transformación que puede consistir en la pérdida de una pequeña secuencia de , la unión a un átomo metálico, etc. Estos enzimas fabricados en estado inactivo se llaman zimógenos o proenzimas; suelen ser enzimas digestivos como es el caso de la pepsina: en la pared del estómago se sintetiza pepsinógeno que es una molécula proteica inactiva, cuando es vertida a la cavidad estomacal es hidrolizada parcialmente por el HCl y transformada en el enzima activo que es la pepsina, un potente rompedor de enlaces peptídicos capaz de digerir (hidrolizar) a las proteínas. 4.- ESTRUCTURA DE LOS ENZIMAS Los enzimas se agrupan en dos grandes familias: Los que están formados por una proteína simple y que por hidrólisis dan solamente y los que, al menos cuando están funcionando, están formados por una proteína unida a otra molécula no proteica llamada cofactor. Son mucho más frecuentes los que pertenecen a este segundo grupo y por este motivo reciben el nombre de holoenzimas. La parte proteica recibe el nombre de APOENZIMA y la parte no proteica recibe el nombre general de COFACTOR. El apoenzima es siempre una proteína globular que, con mucha frecuencia, presenta algún dominio estructural (ver tema anterior), mientras que el cofactor, algunas veces es un sencillo activador inorgánico, por ejemplo un catión como K+, Mg2+, Zn2+, Ca2+, etc, mientras que otras veces es un activador orgánico más complejo y entonces se llama COENZIMA. En la parte proteica o apoenzima se distinguen tres tipos de aminoácidos, según el papel que desempeñen: a) Aminoácidos estructurales: son los que forman el esqueleto de la proteína (apoenzima) con su estructura tridimensional característica. b) Aminoácidos de fijación: son los que, en un primer momento, reconocen al sustrato y se unen a él mediante enlaces débiles. c) Aminoácidos catalizadores: son los que se unen al sustrato fuertemente, mediante enlaces covalentes, debilitando su estructura para facilitar su transformación posterior. Los Aminoácidos catalizadores y los de fijación suelen encontrarse contiguos, tapizando esa especie de hueco donde se ajusta física y químicamente el sustrato: el centro activo. Mientras que el apoenzima es responsable de reconocer al sustrato y unirse con él, el coenzima es responsable de la transformación química: es el que quita o añade hidrógenos, electrones, un grupo funcional, etc. 42 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los enzimas Generalmente apoenzima y coenzima están separados y sólo se unen para catalizar una determinada reacción cuando están frente a un determinado sustrato. Así un apoenzima puede unirse a coenzimas diferentes para realizar distintas transformaciones químicas sobre el mismo sustrato; mientras que un coenzima, uniéndose a distintos apoenzimas, puede realizar la misma transformación química sobre diferentes sustratos. 5.- LOS COENZIMAS Son moléculas orgánicas que algunas veces están fuertemente unidas al apoenzima mediante enlaces covalentes, mientras que otras veces esa unión se mantiene únicamente mediante enlaces débiles. El término holoenzima se debería utilizar exclusivamente cuando la unión enzima-coenzima se realiza con enlaces fuertes. Los coenzimas más frecuentes en el metabolismo celular, clasificados según el trabajo químico que realizan, son los siguientes: 5.1.- COENZIMAS QUE FUNCIONAN EN REACCIONES DE TIPO REDOX U OXIDORREDUCIÓN Funcionan oxidando o reduciendo un sustrato: le quitan hidrógenos, le dan hidrógenos, le quitan electrones o le dan electrones. La mayoría de estos coenzimas son derivados de ribonucleótidos cuya base nitrogenada con mucha frecuencia es la adenina, pero puede ser cualquier otra, incluso una base ajena a los ácidos nucleicos como la nicotinamida. NAD+ : Nicotinamín-adenín-dinucleótido. Es una molécula formada por dos nucleótidos unidos por sus grupos fosfato. Uno de los nucleótidos tiene como base nitrogenada una adenina, es el AMP (adenosín-monofosfato) y se encuentra en otros muchos coenzimas; la nicotinamida es la base nitrogenada del otro nucleótido. El NAD+ funciona quitando hidrógenos a un sustrato para cedérselos a otro: El NAD+ se puede encontrar en dos estados diferentes, oxidado y reducido, según que la estructura de la nicotinamida tenga tres o dos dobles enlaces y, debido a esto, un hidrógeno menos o más. Interviene el NAD+ en la glucólisis, el ciclo de Krebs, la deshidrogenación del ácido pirúvico, la cadena respiratoria, la oxidación de los ácidos grasos, etc. . + NADP : Nicotinamín-adenín-dinucleótido-fosfato. Se diferencia del anterior en que tiene un fosfato más que se sitúa en el C2 de la ribosa del AMP. Funciona, como el anterior, en reacciones de deshidrogenación pero sobre sustratos diferentes. Por ejemplo intervieve en la fotosíntesis. FMN : Flavín-mononucleótido. Su base nitrogenada es la flavina, que en lugar de unirse a una pentosa, se une al ribitol (polialcohol lineal), que a su vez se une a un fosfato. Este coenzima es un derivado de la vitamina B2 o riboflavina y funciona en reacciones de deshidrogenación de un modo similar a los coenzimas anteriores. FAD : Flavín-adenín-dinucleótido. Estructuralmente es un FMN unido al AMP por los fosfatos. Es mucho más frecuente que el FMN y también cataliza reacciones de deshidrogenación. Tiene un carácter más oxidante que el NAD+ y que el NADP+ por lo que puede oxidar a estos coenzimas cuando están reducidos (cargados de hidrógenos). De hecho, en la cadena respiratoria mitocondrial, el FAD es la molécula que regenera al NAD+. IES Alfonso II Camino Peláez 43 BIOLOGÍA Los enzimas Por otra parte, tiene la particularidad de que cuando está en forma de FADH2, para regenerarse y volver al estado FAD, "rompe" los hidrógenos transportados en H+ y e-, cede los electrones a otro coenzima (generalmente un citocromo) y deja los H+ libres. El FAD interviene en la -oxidación de los ácidos grasos y en el ciclo de Krebs, entre otras vías metabólicas. Citocromos No tienen estructura de nucleótido. Son cromoproteínas con el grupo hemo. Basan su funcionalidad en la posibilidad de aceptar y ceder electrones al pasar su átomo de hierro de férrico a ferroso y viceversa. Son mucho más oxidantes que los coenzimas anteriores y por lo tanto son los encargados de recoger los electrones que éstos lleven. Los diferentes tipos de citocromos b6, c1, a, a3, ferredoxina, etc, funcionan sobre todo en las cadenas transportadoras de electrones: cadena respiratoria y cadena fotosintética. El más oxidante de todos es el a3, que no puede ser oxidado por ningún otro y cede sus electrones transportados al oxígeno atmosférico en la cadena respiratoria. Ferroproteínas o proteínas Fe/S Aquí se incluyen una serie de coenzimas que funcionan de manera similar a los citocromos pero que no poseen en su estructura el grupo hemo. En la cadena respiratoria se relacionan con el bombeo de protones de un lado a otro de la membrana. 5.2.- COENZIMAS ASOCIADOS A LA TRANSFERENCIA DE FOSFATOS Son los que se encargan de activar a la mayoría de las moléculas orgánicas, es decir, de aplicarles la suficiente energía para que puedan reaccionar. Consiguen realizar este trabajo añadiendo fosfatos a las moléculas a activar. Son ribonucleótidos cuya base nitrogenada es con mucha frecuencia la adenina pero que puede ser cualquier otra, sobre todo la guanina y el uracilo. El más importante de todos es el ATP, (adenosín trifosfato). Se trata de un AMP (adenosín monofosfato) unido a dos fosfatos más. Los enlaces mediante los cuales se encadenan estos dos últimos fosfatos entre sí y al fosfato del AMP son enlaces ricos en energía. (Por definición todo enlace cuya ruptura da lugar a un desprendimiento de energía superior a 25 KJ se considera un enlace rico en energía y se representa como una S tumbada). Cuando un ATP le añade un fosfato a un sustrato determinado, le añade también energía, activándolo. El ATP pierde el fosfato pasando a ADP (adenosín difosfato) al mismo tiempo que el sustrato pasa a sustrato fosfatado. El ADP también puede ceder energía al mismo tiempo que se transforma en AMP. Coenzimas que actúan de forma parecida al ATP son: el GTP (guanosin trifosfato) y el UTP (uridin trifosfato). Al final estos otros coenzimas son regenerados por el ATP, que es la molécula universal para acumular y ceder energía química. 5.3.- COENZIMAS ASOCIADOS A LA TRANSFERENCIA DE PEQUEÑOS GRUPOS ORGÁNICOS Por ejemplo la transferencia de radicales acéticos, aminos, grupos CO2, etc. El principal coenzima de este grupo es el COENZIMA A que normalmente se representa como CoASH. Se trata de una molécula de tamaño medio formada por: un ADP con un fosfato extra en la ribosa, unido al ácido pantoténico, que a su vez se une a una pequeña cadena terminada en un grupo sulfhidrilo (-SH) que es precisamente la parte activa de la molécula. Este coenzima, con su grupo -SH, rompe enlaces y se une a un sustrato que, de ésta manera, queda activado. Con mucha frecuencia el sustrato es el ácido acético; entonces el complejo activado es el acetíl-SCoA, que resulta ser una molécula importantísima en el metabolismo celular: casi todos los principios inmediatos pueden transformarse en acetil-SCoA, que es el combustible de las mitocondrias. 44 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los enzimas 6.- REGULACIÓN DE LA ACTIVIDAD ENZIMÁTICA Las reacciones bioquímicas que acontecen en la célula tienen que realizarse de manera constante, ordenada y moderadamente. La actuación de los enzimas que las catalizan, por lo tanto, tiene que estar regulada de alguna manera. Esta regulación se efectúa a varios niveles: 6.1.- Regulación genética: constituye el primer nivel de regulación. Los enzimas pueden ser o no ser sintetizados y generalmente son los propios sustratos y productos los que regulan la expresión de un determinado gen responsable de la síntesis de un enzima. Con cierta frecuencia el sustrato induce la expresión del gen responsable de la síntesis del enzima que catalizará la transformación de ese sustrato y el producto de una transformación catalizada por un enzima inhibe la expresión del gen responsable de la síntesis de ese enzima mediante un mecanismo muy frecuente conocido con el nombre de retroalimentación o feed-back.. 6.2.- Modulación: una vez que el enzima está sintetizado, la célula tiene que modular de alguna manera su actividad y esto se consigue con la intervención de distintos factores que afectan al rendimiento del enzima y que fundamentalmente son: temperatura, pH, [S], activadores e inhibidores. A) Temperatura Debido a su naturaleza proteica, los enzimas son termolábiles y a determinadas temperaturas se desnaturalizan perdiendo su estructura terciaria y su actividad biológica. Si se mantiene fija la [S], la [E], el pH y demás variables excepto la temperatura se observa la relación que existe entre la velocidad de reacción (y por lo tanto la eficacia del enzima) y la temperatura a que se realiza. Se comprueba que en un principio al aumentar la temperatura, aumenta también la Vrec hasta que llega un momento en que la Vrec es máxima. Si sigue aumentando la temperatura hay un rápido descenso de la Vrec hasta que llega a hacerse nula. Aunque a continuación baje de nuevo la temperatura, la Vrec seguirá siendo nula porque el enzima se ha desnaturalizado de una manera irreversible perdiendo su actividad biológica. Para cada enzima existe, por tanto, una temperatura mínima por debajo de la cual no funciona, una temperatura óptima para la cual la Vrec será máxima y una temperatura máxima por encima de la cual pierde toda su actividad biológica por desnaturalización de su parte proteica. Generalmente los enzimas trabajan en las células a una temperatura ligeramente inferior a la óptima, alcanzando una Vrec media y reservando el "acelerón" de la Vrec máxima para casos de autentica necesidad (infecciones, fiebre). Si trabajaran durante mucho tiempo a la temperatura óptima, la vida media de la molécula enzimática se vería considerablemente reducida. En los mamíferos la temperatura óptima es de unos 38ºC, la mínima de unos 34ºC, la máxima de unos 42ºC y la media de unos 36,5ºC. B) pH El grado de acidez o basicidad del medio influye decisivamente en la estructura secundaria y terciaria de las proteínas y por lo tanto en la actividad enzimática. Para cada enzima existe un pH óptimo para el cual la velocidad de reacción es máxima, un pH mínimo por debajo del cual el enzima no actúa y un pH máximo por encima del cual la velocidad de reacción es nula. Para la mayoría de los enzimas intracelulares ese pH óptimo es 7 ó 7,5 mientras que para los enzimas extracelulares el pH óptimo es variado: Algunos sólo funcionan a pH muy ácido, como ocurre con la pepsina gástrica (pH óptimo próximo a 2,5); otros como la ptialina de la saliva funcionan a pH ligeramente básico (próximo a 8). IES Alfonso II Camino Peláez 45 BIOLOGÍA Los enzimas C) Concentración del sustrato [S] [S] es la concentración del sustrato. Km es la constante de Michaelis-Menten (distinta para cada reacción). Si se suponen constantes la concentración del enzima, la temperatura y el pH y va variando la [S], se observa que, cuando la [S] es baja, la velocidad de reacción aumenta rápidamente al aumentar la [S] (a más sustrato, más velocidad); pero llega un momento en que la velocidad se estabiliza, se alcanza una velocidad máxima que no aumenta por mucho que aumente la [S]. Se dice entonces que se ha alcanzado una concentración de sustrato saturante o que el enzima está saturado por el sustrato. Todas las moléculas de enzima disponibles están ocupadas en complejos ES y no podrán unirse a un nuevo sustrato hasta que se produzca la reacción y se liberen del anterior: E S ES P E La relación existente entre las concentraciones del enzima, del sustrato y del S V V max complejo enzima-sustrato fue desarrollado por Michaelis-Menten comprobando Km S que la velocidad de una reacción, para concentraciones de sustrato no saturantes, está determinada por la fórmula al margen: Los diferentes enzimas tienen diferentes velocidades máximas. Un enzima será tanto S E más activo cuanto mayor sea la velocidad de reacción máxima y menos tiempo tarde Ke en alcanzarla. Dado que la formación del complejo ES es un proceso reversible, la ES constante de equilibrio Ke para la reacción: E S ES , será la que figura al margen: Cuando la velocidad de reacción sea la mitad de la máxima (velocidad media), habrá tantas moléculas de enzima libres como asociadas al sustrato, es decir que: [E] = [ES] y en esa situación la constante de equilibrio será: Ke = [S] Sustituyendo V por ½Vmax en la fórmula de Michaelis-Menten se comprueba que eso es lo que representa Km: La constante de Michaelis (Km) es igual a la concentración del sustrato cuando la velocidad de reacción es media (la mitad de la velocidad máxima). La Km es característica de cada enzima, y sirve para calcular la velocidad de reacción en cualquier momento, según la fórmula inicial, y, sobre todo, para medir el grado de afinidad del enzima por el sustrato: - Si enzima (E1) y sustrato son muy afines, la reacción E S ES estará muy desplazada hacia la derecha, lo que significa una alta concentración del complejo ES, y Km tendrá un valor muy bajo. - Si enzima (E2) y sustrato son poco afines, se formarán pocos complejos ES, la reacción estará desplazada hacia la izquierda y la Km tendrá un valor más elevado. En conclusión, a mayor afinidad, menor valor para la Km: La constante Km y la afinidad enzima - sustrato son inversamente proporcionales. D) Activadores La eficacia de muchos enzimas se ve aumentada en presencia de algunas sustancias o elementos que, de alguna manera, modifican y mejoran la adaptación del enzima con el sustrato. Con frecuencia se trata de cationes metálicos como Fe3+, Mg2+, Cu2+, Ca2+, etc. Estos cationes no son imprescindibles para que el enzima funcione, pero funcionará mucho mejor cuando están presentes. Por ejemplo las fosforilasas (añaden fosfato al ADP para transformarlo en ATP) son más rápidas en presencia de iones Mg2+. 46 IES Alfonso II Camino Peláez Mg2+ energía + ADP + H3PO4 ATP + H O fosforilasa 2 BIOLOGÍA Los enzimas E) Inhibidores Son de sustancias que disminuyen la eficacia del enzima o incluso impiden totalmente su actuación. Teniendo en cuenta la duración del efecto inhibidor se pueden diferenciar: - Inhibición irreversible: Los inhibidores se unen al enzima de una manera irreversible mediante enlaces covalentes. Suelen ser los llamados venenos que, con gran afinidad por las proteínas (sobre todo afinidad para con los grupos -SH de la cisteína), se unen al enzima en zonas que, aunque no sean su centro activo, suelen estar muy cerca de él. Como resultado de esa unión, se deforma ese centro activo y queda "inservible" para su unión con el sustrato. Estos inhibidores no son en absoluto específicos; se trata, por ejemplo de los gases de combate, el cianuro, muchos insecticidas, etc. - Inhibición reversible: En este caso el inhibidor se une al enzima por enlaces no covalentes y por lo tanto pueden separarse con cierta facilidad. Bloquean el trabajo enzimático pero de una manera reversible. Según el lugar por donde el inhibidor se una al enzima se distinguen dos tipos de inhibición: - Competitiva El inhibidor es parecido al sustrato (análogo estructural del sustrato) y compite con éste para unirse al centro activo del enzima. Los efectos de la inhibición disminuyen si aumenta la concentración del sustrato, ya que de esta manera las posibilidades del encuentro enzima-sustrato son mayores que las del encuentro enzima-inhibidor. - No competitiva. Sustrato e inhibidor se unen al enzima por lugares diferentes, no hay competitividad entre ellos, no se parecen. Se bloquea el complejo [ES], o se deforma el centro activo del enzima, si bien de una manera reversible y no como en el caso de los "venenos". Se diferencia de la inhibición competitiva en que no disminuye aumentando la [S], sino aumentando la [E]. 7.- ENZIMAS ALOSTÉRICOS Existen enzimas para los que un pequeño aumento de la cantidad de sustrato significa un gran aumento de la velocidad de reacción; son los enzimas alostéricos. Se trata de proteínas alostéricas que suelen estar constituidas por varias subunidades (protómeros). Cada protómero posee dos centros o loci: el centro regulador y el centro activo o catalítico. Cuando el centro regulador está vacío, el enzima actúa a una determinada velocidad, pero cuando al centro regulador se une un ligando, el enzima sufre un cambio en su conformación que lo vuelve más eficaz o más inactivo. Al centro regulador se puede unir una molécula-ligando, activador o inhibidor y como resultado de esta unión la forma del protómero varía y el locus del centro activo se “activa” o se “inhibe”. Esta "deformación" se transmite instantáneamente al resto de las subunidades del enzima por lo que su acción se multiplica rápidamente. Los enzimas alostéricos, como proteínas alostéricas que son, poseen dos o más conformaciones, una es inactiva (conformación T o tensa), mientras que la otra es activa (conformación R o relajada) y pasan de un estado al otro con la entrada en el centro regulador del factor modulador (activador o inhibidor). Los moduladores que pasan el enzima desde el estado T al R son moduladores positivos o activadores alostéricos. Los que favorecen el paso de la forma R a la forma T son los inhibidores alostéricos. En el primer caso el ligando o modulador suele ser el propio sustrato u otra molécula que funcione como activador. Estos enzimas están normalmente en estado inactivo y sólo pasan al activo si están en presencia del sustrato. IES Alfonso II Camino Peláez 47 BIOLOGÍA Los enzimas En el segundo caso el enzima normalmente está en estado activo y el modulador es el producto de la reacción por él catalizada, que al unirse al enzima lo pasa al estado inhibido o inactivo. Esta característica permite que los enzimas alostéricos actúen como reguladores de los sistemas multienzimáticos o secuencias de reacciones encadenadas en las que el producto de una reacción es el sustrato de la reacción siguiente. El mecanismo de control es de tipo feed-back y el enzima alostérico está al principio de la cadena. 8.- ESPECIFICIDAD ENZIMÁTICA Los enzimas son específicos y debido a esta especificidad existen en la célula miles de enzimas diferentes. Se distinguen varios niveles o tipos de especificidad: A) Especificidad de sustrato: el enzima sólo actúa sobre un sustrato o un grupo de sustratos relacionados. Puede ser: - Absoluta: cuando el enzima sólo reconoce un único sustrato. Por ejemplo la sacarasa sólo actúa sobre la sacarosa; la ureasa actúa sobre la urea y la desdobla en CO2 y NH3. - De grupo: cuando el enzima reconoce un grupo de moléculas que son similares y poseen en común un determinado tipo de enlace químico sobre el que actúa. Por ejemplo la glucosidasa actúa sobre enlaces Oglicosídicos de tipo , rompiéndolos o formándolos; las descarboxilasas eliminan grupos CO2 de los aminoácidos y diversos ácidos orgánicos. B) Especificidad de acción o de clase: en este caso el enzima no reconoce moléculas sino tipos de enlace y sólo realiza una acción determinada. Por ejemplo las fosfatasas reconocen y separan los grupos fosfato de cualquier tipo de moléculas; las lipasas hidrolizan los enlaces éster en los distintos tipos de lípidos. 9.- ISOENZIMAS Son enzimas con función biológica semejante pero con estructura molecular diferente que desempeñan su trabajo en situaciones diferentes o tejidos diferentes. Es algo así como si para la misma reacción química existieran varios enzimas posibles pero que actúan en lugares o condiciones diferentes. Una misma reacción química puede ser catalizada por un enzima determinado en el hígado y por otro diferente en los músculos. Por ejemplo para la lactato-deshidrogenasa, que transforma el ácido láctico en ácido pirúvico, se conocen cinco enzimas diferentes que actúan en diferentes tejidos aunque todos ellos tienen como coenzima al NAD+. 10.- CLASIFICACIÓN DE LOS ENZIMAS Los primeros enzimas descubiertos se nombraron con términos que no indicaban cuál era su función, su sustrato, etc. Se llamaban algo así como fermento amarillo, pepsina, tripsina, ptialina, etc. Más adelante se emplearon nombres que se formaban con el del sustrato cambiando su terminación por "asa"; así se llamaron amilasa, sacarasa, maltasa, etc. Hoy en día y teniendo en cuenta el gran número de enzimas que se conocen, para nombrarlos se siguen normas muy estrictas y claras; aunque se respetan los nombres antiguos y los muy generales, actualmente los nuevos enzimas estudiados se nombran según las directrices de la IEC (Comisión Internacional de Enzimas) de la siguiente manera: sustrato preferente + transformación química realizada + [asa] Así la maltasa se llama maltosa hidrolasa, el enzima que cataliza la transformación del ácido láctico en pirúvico se llama lactato deshidrogenasa, etc. Con frecuencia se matiza todavía más y, si se sabe cuál es el coenzima que actúa, se coloca su nombre entre el del sustrato y el de la transformación química realizada. Por ejemplo, en el caso del paso de ácido láctico a pirúvico se sabe que actúa el NAD+ por lo que el nombre completo del enzima es lactato NAD deshidrogenasa. Se han establecido seis clases de enzimas, cada una de ellas se subdivide en subclases y cada subclase en subdivisiones. Cada enzima se conoce entonces con cuatro cifras: la primera es la de la clase, la segunda de la subclase, la tercera de la subdivisión y la cuarta es la específica del enzima. 48 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los enzimas CLASIFICACIÓN DE LOS ENZIMAS Clase 1.Oxidorreductasas Función Subclases más importantes Reacciones de óxido-reducción. Quitan o ceden electrones o H Deshidrogenasas (quitan o ceden H2) Oxidasas ( el aceptor de e-es el O2) 2. Transferasas Transfieren grupos o radicales como -NH2 , -COO-, -CH3 , fosfato, etc. desde un sustrato a otro Transaminasas Transglucosidasas Transacetilasas Transfosforilasas Reacciones de hidrólisis introduciendo grupos -OH y -H para romper distintos tipos de enlaces. 3. Hidrolasas O-glucosidasas Esterasas Proteasas Peptidasas 4. Liasas 5. Isomerasas Reacciones de adición de CO2 , H2O o distintos grupos funcionales como el –NH2 a dobles enlaces como el C=C, C=O, C=N, etc. Según el doble enlace sobre el que actúen y según el grupo añadido: Descarboxilasas, Carboxilasas, Aminasas, Desaminasas, Hidratasas, etc. Reacciones de isomerización. Fosfomutasas, Carbonilomutasas, Hidroxilomutasas, etc. 6. Ligasas Forman todo tipo de enlaces uniendo moléculas o radicales. Utilizan como fuente energética ATP que pasa a ADP. IES Alfonso II Camino Peláez Según los enlaces que formen: ARN-sintetasa, Aminasa ATP dependiente, Carboxilasa ATP dependiente, etc. 49 BIOLOGÍA Los enzimas 11.- LAS VITAMINAS Las vitaminas son moléculas esenciales para la mayoría de los animales que funcionan como catalizadores al ser o formar parte de algún coenzima. La mayoría de ellas son de origen vegetal y los animales debemos ingerirlas con la dieta habitual, aunque en muchas ocasiones lo que se ingiere son ciertas sustancias llamadas provitaminas que, tras pequeñas transformaciones, dan lugar a las vitaminas funcionales. Cuando a un organismo le falta una determinada vitamina, padece una enfermedad con una sintomatología, a veces no muy específica, que desaparece en el momento en que a ese organismo se le administra la vitamina deficitaria. Por este motivo estas enfermedades reciben el nombre general de enfermedades carenciales. El déficit de una vitamina o grupo de vitaminas recibe el nombre de hipovitaminosis. La carencia total de una vitamina sería avitaminosis y el exceso (que en la práctica y con dietas normales nunca se da) sería una hipervitaminosis. Para su clasificación, teniendo en cuenta su heterogeneidad química, se suele utilizar el criterio de solubilidad: liposolubles e hidrosolubles. Las primeras son casi todas lípidos y, al no ser solubles en agua, resulta complicada su eliminación por la orina, sudor, etc; en caso de un aporte excesivo pueden acumularse en el organismo y producir enfermedades por exceso. Las segundas son mucho más variadas: ácidos dicarboxílicos, nucleósidos, etc; no resulta complicada su eliminación y por lo tanto no producen enfermedades cuando son ingeridas en exceso. VITAMINAS LIPOSOLUBLES Vitamina Fuentes Acción fisiológica Déficit Exceso A o Antixeroftálmica Vegetalest. coloreados, leche, hígado, huevos protege tejidos epiteliales, ciclo visual, coloración de la piel Xeroftálmia, ceguera nocturna. Escamación de la piel, alopécia, vómitos. Complejo D (D2, D3, D4, D5, D6). o Antirraquítica Leche, hígado, huevos, salmón, sardinas. Regula la absorción del calcio en el intestino. Estabilidad ósea. En niños, raquitismo. En adultos, osteomalacia. Trastornos digestivos, vómitos, diarrea, calcificaciones. E: Tocoferol o Antiesterilidad Vegetales verdes,semillas, aceites, yema de huevo. No comprobada en el hombre. Protege a los lípidos de la autooxidación. Esterilidad en los roedores, parálisis y distrófia muscular. N.R. (no registrado) K: Filoquinona o Antihemorrágica. Vegetales verdes, pescados, flora intestinal. Actúa en la síntesis de la protrombina. (coagulación de la sangre) Hemorragias. N.R. VITAMINAS HIDROSOLUBLES tamina Déficit Fuentes Acción fisiológica Cítricos, hortalizas y legumbres. Se puede sintetizar a partir de glucosa. Sintesis del colágeno, matriz intercelular, regulación de hormonas antiestrés. Escorbuto B 1 : Tiamina o Aneurina o Antiberiberi Vegetales, envoltura de cereales y legumbres Forma el coenzima pirofosfato de tiamina que tranfiere grupos aldehido en el metabolismo de lípidos y glúcidos Beriberi: neuritis,hipersensibilidad, insuficiencia cardíaca, falta de apetito, debilidad muscular, etc. B 2 : Riboflavina o Lactoflavina Vegetales amarillos, bacterias, levaduras, leche, huevos e hígado Forma parte del FMN y del FAD. Reacciones Redox, respiración celular Fotofobia, dermatitis, enrojecimiento de labios, lengua, ojos y mejillas. B 3 : Factor PP, Niacina o Ácido nicotínico. La Nicotinamida es un derivado suyo. Alimentos obtenidos por fermentación, leche, carne Forma parte de los Coenzimas NAD y NADP. En deshidrogenaciones de glúcidos y prótidos Pelagra: manchas oscuras en la piel, vómitos, náuseas, diarreas, trastornos digestivos y mentales. B8 : Vitamina H o Biotina. Flora intestinal Coenzima que transfiere grupos carboxilo, transporte de CO2 . Dermatitis, trastornos musculares, anemia y depresión B5 : Ácido pantoténico o vitamina W. Abunda en todo tipo de alimentos pero quien la sintetiza son los vegetales verdes, bacterias y hongos Forma parte del CoA-SH. Transfiere grupos acilo. Metabolismo de los ác. grasos. Cefaleas, dermatitis, despigmentación, degeneración de la corteza adrenal con retraso del crecimiento C: Ácido ascórbico o Antiescorbútica. 50 IES Alfonso II Camino Peláez Infecciones frecuentes BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos TEMA 6: LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Concepto y tipos. Estructura química: nucleósidos y nucleótidos. Derivados de nucleótidos. Los ácidos nucleicos. ADN: estructuras, tipos y funciones. La duplicación del ADN. ARN: estructuras, tipos y funciones. 1. CONCEPTO Y TIPOS Son moléculas orgánicas que contienen C, H, O, N y P. Tienen carácter ácido por contener ácido fosfórico, y fueron descritos por primera vez en el núcleo de las células eucariotas (Miescher 1868/71); ello explica su nombre. Hoy se sabe que se encuentran en el núcleo y en el citoplasma, tanto en el hialoplasma como en algunos orgánulos como mitocondrias y cloroplastos; también se encuentran en las células procariotas (que carecen de núcleo diferenciado) y en organizaciones no celulares como los virus. Se trata de macromoléculas, componentes fundamentales de las células, donde generalmente se encuentran asociados a proteínas, ya que constituyen el grupo prostético de las nucleoproteínas. Función: actúan en el almacenamiento y transferencia de la información genética. Tipos: Hay dos tipos: Ácido desoxirribonucleico (ADN o DNA) y Ácido ribonucleico (ARN o RNA). 2. ESTRUCTURA QUÍMICA: NUCLEÓSIDOS Y NUCLEÓTIDOS Por hidrólisis total de los ácidos nucleicos se obtienen tres tipos de componentes: -Ácido fosfórico. -Pentosas: ß-D-Desoxirribofuranosa (ADN) o ß-D-Ribofuranosa (ARN). -Bases nitrogenadas (moléculas con estructura heterocíclica) de dos tipos: Derivadas de la Purina: Adenina (A) y Guanina (G). Derivadas de la Pirimidina: Citosina (C), Uracilo (U) y Timina (T). En el ADN: A, G, C, T; en el ARN: A, G, C, U En algunos casos pueden aparecer otras bases nitrogenadas, pero generalmente son derivados metilados de alguna de las cinco bases. Estos componentes están unidos de la siguiente manera: Por unión de una pentosa y una base nitrogenada se forma un Nucleósido: el C1’ de la pentosa se une a la base (N1 si es pirimidínica, N9 si es púrica) mediante un enlace N-glicosídico que en todos los nucleósidos existentes en la naturaleza tiene configuración ß. (Los números con comilla (’) se refieren a los átomos de la pentosa, mientras que los números sin comilla se utilizan para los átomos de los anillos de purina o pirimidina). -Nombres de los principales nucleósidos: Si la pentosa es desoxirribosa: Desoxirribonucleósidos. Si la pentosa es ribosa: Ribonucleósidos. Teniendo en cuenta también la base nitrogenada: Para los ribonucleósidos se nombra la base nitrogenada cambiando su terminación por -osina o por -idina según se trate de una base púrica o pirimidínica respectivamente: Adenosina, Guanosina, Citidina, Uridina. Si se trata de los desoxirribonucleósidos se pone delante el prefijo desoxi-: Desoxiadenosina, Desoxiguanosina, Desoxicitidina, Desoxitimidina. Por unión de un nucleósido con el ácido fosfórico se forma un Nucleótido: el enlace es de tipo éster. El punto de esterificación mas común es el C5’ de la pentosa. -Nombres de los nucleótidos: en general se les denomina: nucleósidos-5’-monofosfato o 5’-nucleótidos. Según el tipo de pentosa: 5’-desoxirribonucleótidos (si llevan desoxirribosa) o 5’-ribonucleótidos (si llevan ribosa). Teniendo en cuenta también la base nitrogenada: delante del nombre del nucleósido se pone monofosfato 5´ de Pero hay otras nomenclaturas: IES Alfonso II Camino Peláez 51 BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos Así el monofosfato 5´ de adenosina puede denominarse: adenosin-5'-fosfato, adenilato, ácido adenílico o AMP (adenosin-5'-monofosfato). De modo análogo los demás nucleótidos se pueden denominar, por ejemplo: monofosfato 5´ de desoxiadenosina, desoxiadenilato o dAMP; monofosfato 5´ de guanosina, guanilato o GMP; monofosfato 5´ de desoxiguanosina, desoxiguanilato o dGMP; ácido desoxicitidílico, desoxicitidilato o dCMP; ácido citidílico, citidilato o CMP; uridilato o UMP; Desoxitimidilato o dTMP. En resumen: Tipo de ácido Ácido fosfórico Pentosa ADN / DNA Ortofosfórico -D-desoxirribofuranosa ARN / RNA Ortofosfórico -D-ribofuranosa Base nitrogenada Adenina y Guanina Púricas Citosina y Timina Pirimidínicas Adenina y Guanina Púricas Pirimidínicas Citosina y Uracilo 3. DERIVADOS DE LOS NUCLEÓTIDOS En los seres vivos, existen una serie de moléculas que, además de funcionar como subunidades de los ácidos nucleicos, en su mayoría funcionan como coenzimas (por lo que se han estudiado en el tema de enzimas): ATP, ADP, AMP, NAD, NADP, FMN, FAD, GTP, CTP, UTP, CoASH. Es de especial importancia el AMPC (AMP cíclico), que actúa como segundo mensajero hormonal; se trata de un AMP cuyo ácido fosfórico está unido a la ribosa mediante dos enlaces: el normal con el C5’ y uno extra con el C3’. 4. LOS ÁCIDOS NUCLÉICOS Son polímeros de nucleótidos (polinucleótidos). Los nucleótidos se unen mediante puentes fosfodiéster (5’3’): el ácido fosfórico de un nucleótido se une al C3’ del nucleótido siguiente y así sucesivamente. Un polinucleótido consta, por tanto, de un eje formado por la alternancia de grupos fosfato y pentosas unidos covalentemente mediante puentes fosfodiéster, del cual salen las bases nitrogenadas que constituyen cadenas laterales. En un polinucleótido se distinguen dos extremos: el extremo 5’ que tiene el grupo fosfato libre y el 3’ que tiene libre el grupo hidroxilo. El número mínimo de nucleótidos para que una molécula sea considerada polinucleótido es de 50, por debajo de ese número se utiliza el término de oligonucleótido. Los ácidos nucleicos son largas cadenas de polinucleótidos. Hay dos tipos (ADN y ARN) que tienen diferente composición (estructura química), diferente conformación (estructura tridimensional) y realizan diferentes funciones en los seres vivos. Existe una gran variedad de polinucleótidos (o de ácidos nucleicos) que se diferencian en su peso molecular y en la secuencia de bases nitrogenadas (único componente que varía en los nucleótidos que forman un tipo de ácido nucleico). 5. EL ADN (ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLÉICO) Las moléculas de ADN son de gran tamaño; su peso molecular es muy elevado, en el ser humano es de unos 3,6∙1012 que equivale a 5,6∙109 pares de nucleótidos. En las células eucarióticas se encuentra en el núcleo asociado a histonas, formando nucleoproteínas. También está en las mitocondrias y en los cloroplastos; en estos orgánulos es similar al de las células procariotas, como las bacterias, donde en principio se creía que estaba "desnudo" (sin proteínas), pero se ha observado que se encuentra asociado a proteínas similares a las histonas y al ARN formando una condensación que suele llamarse nucleoide. ESTRUCTURA DEL ADN: las moléculas de ADN poseen una estructura o conformación específica íntimamente relacionada con su actividad biológica; en el ADN se distinguen tres niveles estructurales: estructura primaria, secundaria y terciaria; esta última, a su vez, se encuentra reorganizada en varios niveles de empaquetamiento para que la reducción del volumen sea máxima. A) Estructura primaria: es la secuencia de nucleótidos: un esqueleto de polidesoxirribosa-fosfato del que sobresalen las bases nitrogenadas en una determinada secuencia. Esta secuencia de bases nitrogenadas es el mensaje genético en todos los seres vivos. 52 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos B) Estructura secundaria: la estructura primaria en una simple cadena de nucleótidos no explica las propiedades observadas al estudiar los ADN nativos (procedentes de células vivas) como son: - Su densidad y viscosidad es prácticamente el doble de la que cabría esperar si la molécula fuera un simple polinucleótido. - Las funciones típicas de las bases nitrogenadas (-NH2, -CO y =NH) no se manifiestan, no reaccionan, es como si estuviesen ocultas. - Al analizar la frecuencia de nucleótidos, Chargaff (1950) observó las siguientes equivalencias de bases: nº moléculas de Adenina = nº moléculas de Timina nº moléculas de Guanina = nº moléculas de Citosina - Estudios mediante difracción de rayos X aportan datos sobre distancias entre los átomos o grupos de átomos que se repiten, etc. Entre 1950 y 1953 Franklin y Wilkins dedujeron, en base a estos datos, una estructura fibrilar de 2 nm de diámetro para el ADN, con ciertas unidades que se repiten cada 0,34 nm y otras mayores que se repiten cada 3,4 nm. IES Alfonso II Camino Peláez 53 BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos Con todos estos datos Watson y Crick, en 1953, idearon un modelo que, además de explicar las observaciones anteriores, sugiere un mecanismo de replicación del material genético con precisión, así como su mutabilidad. Según dicho modelo, un ADN nativo es una molécula en doble hélice formada por dos polidesoxirribonucleótidos antiparalelos y complementarios, unidos mediante puentes de hidrógeno por sus bases nitrogenadas (la adenina se une a la timina por dos puentes de hidrógeno y la guanina se une a la citosina por tres puentes de hidrógeno), y enrollados uno sobre el otro plectonemicamente. Con más detalle: a) Doble cadena, doble hélice: la molécula de ADN es bicatenaria, está formada por dos cadenas helicoidales de polinucleótidos que se enrollan alrededor de un eje imaginario de tal manera que sus bases nitrogenadas, con sus estructuras de anillos hidrofóbicos, quedan situadas a muy corta distancia y unidas mediante puentes de hidrógeno mientras que los grupos hidrófilos (fosfatos y desoxirribosas) quedan situados hacia el exterior de la doble hélice, en contacto con el medio acuoso circundante. b) Ambas cadenas son antiparalelas: mientras una hebra presenta enlaces fosfodiéster 3´ 5´, la otra presenta enlaces 5´ 3´ (una está en sentido opuesto de la otra). c) Ambas cadenas son complementarias: el enfrentamiento y unión de las bases nitrogenadas no ocurre al azar, sino que se realiza de una manera muy precisa; solamente encajan en la estructura del ADN aquellas parejas de bases que puedan establecer entre si enlaces de puente de hidrógeno, Adenina con Timina (A=T dos enlaces) y Guanina con Citosina (GC tres enlaces). Por tanto, las dos cadenas que constituyen una molécula de ADN no son idénticas ni en secuencia de bases ni en composición, sino que una de ellas es complementaria de la otra (en frente de A hay T; en frente de G hay C). Como consecuencia de ello, en una molécula de ADN el nº de restos púricos es igual al nº de restos pirimidínicos, G+A = C+T (equivalencia de bases de Chargaff). Otras parejas no son posibles, por ejemplo: A-G es demasiado voluminosa para encajar en la doble hélice; en CT quedarían muy distantes las bases y no podrían formarse enlaces de puente de hidrógeno; además, en ambos casos, los puentes de hidrógeno serían muy débiles (poco estables); en otros casos no quedarían enfrentados grupos capaces de formar entre si puentes de hidrógeno. (Una molécula de ADN tiene mayor densidad y estabilidad cuanto mayor sea su contenido en G+C). d) Que el enrollamiento es plectonémico quiere decir que para separar ambos polinucleótidos, la doble hélice tendría que girar en sentido opuesto al de su formación. La estabilidad de la molécula resultante, tanto química como estructural, es muy elevada. Los únicos grupos con cierta actividad química que quedan al descubierto son los -OH de los fosfatos, que son los puntos de contacto del ADN con las histonas y otras proteínas para formar estructuras de orden superior. La estabilidad estructural se consigue con los numerosos enlaces covalentes fosfodiéster, con los numerosísimos enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas y con interacciones hidrofóbicas en el eje central de la molécula. Los grupos hidrófobos se disponen hacia el interior de la molécula mientras que hacia el exterior quedan la desoxirribosa y los fosfatos (hidrófilos), lo que favorece la solubilidad y estabilidad de la macromolécula. 54 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos Se conocen tres estructuras secundarias posibles para el ADN: 1) La forma B: es la descrita por Watson y Crick, doble hélice dextrógira, bases nitrogenadas complementarias situadas en planos horizontales perpendiculares al eje de giro de las hebras. Es la forma habitual en el ADN nativo disperso en agua. 2) La forma A: Similar a la anterior, doble hélice dextrógira pero sus bases nitrogenadas se unen según planos oblicuos, inclinados respecto al eje central de la molécula. Esta forma no aparece en estado natural, aparece cuando se deseca la forma B. De forma natural posiblemente presenten esta estructura las zonas en doble hélice de los ARNt, los híbridos ADN-ARN y los ARN bicatenarios. 3) La forma Z: doble hélice levógira, enrollamiento irregular que le confiere una estructura en zigzag característica. Se encuentra en las zonas donde la guanina y la citosina son muy abundantes. Parece ser que son "señales" para la regulación de la expresión genética. Las zonas que no se expresan genéticamente presentan este tipo en forma Z. Desnaturalización del ADN Al calentar una molécula de ADN por encima de los 90 o 100ºC, los puentes de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas se rompen y sus dos hebras se separan: el ADN se desnaturaliza. Si se enfría esa molécula de nuevo, a los 65ºC las dos hebras componentes vuelven a unirse para formar la doble hélice de Watson-Crick: el ADN se renaturaliza o hibridiza. De esta manera es posible obtener híbridos de ADN-ARN, híbridos de ADN de individuos o de especies diferentes, etc., siendo este tipo de estudios sumamente importante para medicina legal, estudios evolutivos, etc. C) Estructura terciaria: dada la enorme longitud de las moléculas de ADN debe existir un plegamiento que permita su adaptación al volumen celular. Este empaquetamiento, además de acortar la longitud del ADN y conseguir un mayor grado de compactación y resistencia, debe permitir el acceso a la información contenida en él y a los procesos de replicación y transcripción. La estructura terciaria se refiere a las distintas maneras en que puede plegarse o empaquetarse el ADN. Se distinguen varios grados o niveles: C.1) Primer nivel de empaquetamiento, con dos posibilidades: los nucleosomas y la estructura cristalina: a) Los nucleosomas, collar de perlas, fibra nucleosómica o fibra de cromatina de 110 Å (11 nm). Aparece en el ADN de los núcleos de células eucariotas; es la estructura habitual de la cromatina. Está constituido por una sucesión de partículas de unos 110 Å (11 nm) de diámetro enlazadas por la doble hélice de ADN; cada partícula más el segmento de ADN que la enlaza con la partícula siguiente se denomina nucleosoma. Cada nucleosoma consta de 200 pares de bases de ADN y un octámero de histonas (8 moléculas de histona iguales dos a dos: H2a, H2b, H3 y H4). La mayor parte de este ADN, unos 146 pares de bases, se encuentra enrollado alrededor del octámero de histonas (1,8 vueltas); el resto (54 pares de bases), constituye el ADN espaciador o enlazante o ADN linker, que une dos nucleosomas contiguos. Se sabe que las histonas son prácticamente las mismas en todos los seres eucarióticos tanto animales como vegetales. (Otra histona, la H1 no es imprescindible en la formación del collar de perlas; sin embargo es imprescindible para acceder a niveles superiores de empaquetamiento, por ejemplo cuando las fibras cromatínicas se condensan para formar las fibras de 30 nm o 300Å de diámetro que constituyen el segundo nivel de empaquetamiento). Con el collar de perlas se consigue un acortamiento de orden 7 sobre la longitud del ADN. IES Alfonso II Camino Peláez 55 BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos b) La estructura cristalina En los estados de superorganización de la cromatina, cuando se trata de ocupar el mínimo volumen posible, el ADN adopta una estructura más compacta, llamada estructura cristalina. Se presenta, casi exclusivamente en los núcleos de los espermatozoides: el ADN se asocia con protaminas, más pequeñas y básicas que las histonas. A diferencia de las histonas de los nucleosomas, las protaminas son muy diferentes para cada especie. C.2) Segundo nivel de empaquetamiento: El solenoide o fibra de cromatina de 300 Å (30 nm). La fibra nucleosómica se repliega sobre si misma (seis nucleosomas por vuelta) originando un empaquetamiento más compacto dando lugar a una fibra básica de cromatina de 30 nm de diámetro (300 Å) en cuya formación interviene la histona H1. La estructura alcanzada recuerda a un solenoide y por ello se llama modelo solenoide: seis nucleosomas por vuelta, con las H1 agrupadas formando un eje central o esqueleto. El acortamiento conseguido de esta manera sobre la longitud del collar de perlas es de orden 5. C.3) Niveles superiores de empaquetamiento Con los dos primeros niveles de empaquetamiento se consigue que la fibra de ADN se acorte entre 35 y 40 veces, pero el grado de empaquetamiento en el núcleo celular es mucho mayor, entre 100 y 1000 veces; y en los cromosomas es todavía mucho mayor, 10000 veces aproximadamente (un cromosoma humano de 5,5 m de longitud contiene 4 cm de ADN: reducción del orden 7000). De la compleja estructura de los cromosomas se puede resumir lo siguiente: - La fibra de 30 nm (el solenoide) se organiza en bucles de entre 20000 y 70000 pares de bases que se anclan o estabilizan sobre un armazón proteico central. Estos dominios estructurales en forma de bucles son el tercer nivel de empaquetamiento. 56 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos - Los bucles se asocian de seis en seis formando una estructura retorcida llamada roseta. - Treinta rosetas seguidas y enrolladas en espiral forman un rodillo que constituye el cuarto nivel de empaquetamiento. - El quinto y último nivel de empaquetamiento son los propios cromosomas, formados por la sucesión de rodillos. El momento óptimo para observar los cromosomas es la metafase mitótica; cuando se habla de cromosomas, de no decir lo contrario, se hace referencia a los cromosomas en metafase que tienen dos cromátidas cada uno. También se puede hablar de cromosomas en anafase que poseen una sola cromátida. El ADN superenrollado El ADN bacteriano (bicatenario y circular) en algunas ocasiones adopta conformación terciaria sin necesidad de asociarse con histonas; se le llama entonces ADN superenrollado. Su formación se debe a la actuación de unos enzimas llamados topoisomerasas. TIPOS DE ADN A) Según su estructura el ADN puede ser: monocatenario o bicatenario, según esté formado por uno o por dos polinucleótidos y lineal o circular, según la disposición de esos polinucleótidos. El ADN monocatenario es exclusivo de los virus y bastante escaso: el monocatenario lineal se presenta, por ejemplo, en los parvovirus de los roedores; el monocatenario circular todavía es menos frecuente, solamente se encuentra en algunos virus bacteriófagos como el virus X-174. El bicatenario, mucho más habitual: el bicatenario lineal es el más común, está en el núcleo de las células eucariotas y en algunos virus como el bacteriófago T4, el del herpes, el de la varicela y los adenovirus; el bicatenario circular aparece en las bacterias, mitocondrias, cloroplastos y algunos virus como el de la viruela y el de las verrugas. B) Según su longitud el ADN, es muy variado. La longitud no parece guardar relación con la complejidad del organismo. La mayoría de las especies poseen mucho más ADN del que necesitarían para codificar su estructura y fisiología, pues gran parte del ADN no se expresa genéticamente. C) Según las moléculas a las que se asocia para reducir su longitud y condensarse: en las células eucariotas se asocia a histonas (a protaminas en los espermatozoides); en las células procariotas se asocia a proteínas parecidas a las histonas, a ARN y a proteínas no histónicas; en los virus se puede asociar a proteínas básicas víricas o a histonas de la célula parasitada. FUNCIONES DEL ADN Es el portador de la información para la síntesis de proteínas: cada individuo posee unas proteínas específicas porque posee un ADN también específico que a través del control de la síntesis proteica controla en último término la estructura y la función de cada célula del organismo. Es el portador de los caracteres hereditarios: es capaz de autoduplicarse originando, a partir de una molécula, dos idénticas entre si y a la primera; gracias a ello la información para la síntesis proteica se puede transmitir de generación en generación. IES Alfonso II Camino Peláez 57 BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos 6. LA DUPLICACIÓN DEL ADN 5.1. Un poco de historia: Una vez determinada la estructura del ADN quedaba por conocer el mecanismo mediante el cual se producía su replicación (reproducción del ADN), proceso fundamental para los seres vivos ya que permite que tras la división celular cada célula hija posea la misma información genética que poseía la célula madre, así como la transmisión de la información genética de generación en generación. Teniendo en cuenta la complementariedad de bases nitrogenadas en la doble cadena del ADN es fácil suponer que dicha molécula puede replicarse si cada una de las dos cadenas sirve como molde para la formación de una cadena complementaria. Para explicar este proceso se propusieron tres hipótesis: - Semiconservativa (se debe a Watson y Crick): en las dos moléculas de ADN producidas tras la replicación, una de las cadenas es la antigua, que actúa como molde, y la otra es la nueva, constituida por la polimerización de nucleótidos libres sobre ese molde, por complementariedad de bases nitrogenadas. - Conservativa: de las dos moléculas de ADN producidas tras la replicación, una está formada por las dos cadenas antiguas y la otra por dos cadenas nuevas. - Dispersiva: las dos moléculas de ADN producidas tras la replicación están constituidas por fragmentos distintos de ADN antiguo y de ADN nuevo (recién sintetizado). Meselson y Stahl (1957) confirmaron experimentalmente la hipótesis semiconservativa mediante el cultivo bacterias Escherichia coli en un medio con nitrógeno pesado (N15), isótopo del nitrógeno normal (N14). Los experimentos de Taylor, realizados con Timina tritiada en el cromosoma de Escherichia coli, también demostraron la validez de la teoría semiconservativa. Según esta teoría cuando una molécula de ADN se replica debe desenrollarse, al menos parcialmente, y frente a cada polinucleótido previo irán colocándose los nucleótidos complementarios dirigidos y encadenados por el trabajo de enzimas polimerasas específicas. En cuanto a la bioquímica de la replicación del ADN, comenzó a saberse algo cuando en 1956 Kornberg descubrió y aisló el enzima ADN-polimerasa (II). Este enzima, que posee cuatro loci, está formado por unos 1000 aminoácidos y encadena nucleótidos activados (trifosfatados) presentes en el medio a una velocidad de 1000 por minuto, pero la ADN-polimerasa no puede iniciar una cadena de ADN desde cero ("de novo"), su trabajo consiste en añadir nucleótidos a una cadena preexistente, aunque esa cadena sea un pequeño ARN o ADN que actúe como cebador. También se sabe que la dirección en que puede crecer una cadena de ADN es siempre la misma: 5´ 3´, que es el sentido en que puede trabajar la ADN-polimerasa de Konrberg y todas las ADN polimerasas que después fueron descubiertas: unen el nuevo nucleótido al carbono 3´ de la desoxirribosa del nucleótido anterior. "In vitro", en un tubo de ensayo en el laboratorio, la ADN-polimerasa de Konrberg puede encadenar nucleótidos y sintetizar ADN; pero "in vivo", en una célula, este enzima lo que hace son reparaciones de las moléculas de ADN ya existente: soldar fragmentos que se han roto, rellenar huecos, etc., pero en ningún caso sintetizar completamente ADN. 5.2. Resumen de los mecanismos de replicación del ADN "in vivo" Hay que señalar que existen ciertas diferencias entre las células eucariotas y procariotas: EN PROCARIOTAS (estudiado en Escherichia coli). a) En el ADN existe una secuencia de nucleótidos por donde siempre empieza la duplicación, es el origen de la replicación o señal de iniciación. Esa zona es reconocida por la proteína de iniciación que se une a ella. b) Un enzima llamado helicasa se coloca, con ayuda de la proteína de iniciación, sobre la zona de iniciación y separa las dos cadenas originales rompiendo los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Esta separación significa un desenrollamiento que en el resto de la cadena se traduce en superenrollamientos. Los enzimas topoisomerasas cortan y empalman las hebras de ADN para eliminar los superenrollamientos (la girasa, por ejemplo, es una topoisomerasa II de Escherichia coli). c) Intervienen entonces las proteínas SSB (Single Strand Binding-DNA) que, uniéndose a las hebras separadas, estabilizan la situación impidiendo la reunión de estas hebras. d) Una helicasa trabaja en un sentido mientras que otra, al mismo tiempo, trabaja en el sentido opuesto. El proceso es por lo tanto bidireccional y se forman dos burbujas u ojos de replicación que progresan en sentidos opuestos. 58 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos e) Puesto que son dos las nuevas hebras en crecimiento y que el progreso de los nuevos polinucleótidos sólo puede realizarse en el sentido 5´ 3´, una hebra tendrá un crecimiento continuo mientras que la complementaria tendrá crecimiento discontinuo. La de crecimiento continuo recibe el nombre de hebra conductora o líder, crece ininterrumpidamente y es complementaria a la antigua hebra 3´ 5´. Se forma de la siguiente manera: - Como ninguna de las ADN-polimerasas conocidas puede actuar sin cebador, comienza la síntesis de la nueva cadena con una ARN-polimerasa llamada primasa, que partiendo de cero sintetiza un pequeño ARN de unos 10 nucleótidos llamado primer que va a actuar de cebador para la ADN-polimerasa. - La ADN-polimerasa III, a partir de este cebador y en dirección 5´ 3´, comienza a sintetizar la nueva hebra de ADN. Utiliza nucleótidos trifosfatados que ceden la energía necesaria para el proceso. f) La hebra retardada o de crecimiento discontinuo se forma de la siguiente manera: - A medida que van separándose las dos hebras patrón, en un punto situado a unos 1000 nucleótidos del origen de replicación, la ARN-polimerasa sintetiza una pequeña cadena de unos 40 nucleótidos de ARN y a continuación la ADN-polimerasa III encadena unos 1000 nucleótidos de ADN. Este polinucleótido de ARN y ADN recibe el nombre de fragmento de OKAZAKI. - El proceso continúa y al abrirse un poco más la molécula original de ADN se forma un nuevo fragmento de Okazaki, y luego otro, etc. g) La hebra conductora será un polinucleótido continuo mientras que la hebra retardada estará formada por muchos fragmentos de Okazaki sin unir. h) Interviene la ADN-polimerasa I (polimerasa con actividad exonucleasa) que en primer lugar elimina los fragmentos de ARN (función exonucleasa) y en segundo lugar rellena los huecos dejados con desoxirribonucleótidos (función polimerasa); en resumen, sustituye el ARN cebador por ADN. i) El proceso sigue así hasta la duplicación total de la molécula. j) El último enzima en entrar en acción es la ADN-ligasa que suelda los fragmentos de que está formada la hebra retardada, completando de esta manera las dos moléculas idénticas que resultan de la replicación. (En casos excepcionales las dos hebras de ADN crecen de modo discontinuo, es decir, como la hebra retardada). Los errores en la replicación son corregidos por la ADN-polimerasa II; pero a veces no se corrigen, lo que da lugar a mutaciones que pueden ser importantes en la evolución de los seres vivos. IES Alfonso II Camino Peláez 59 BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos EN EUCARIOTAS El mecanismo es básicamente el mismo pero cabe señalar las siguientes diferencias fundamentales: 1.- El proceso es unas 10 veces más lento que en procariotas y tiene lugar durante la interfase del ciclo celular, entre mitosis y mitosis. 2.- Existen 5 tipos de ADN polimerasas (α, β, γ, δ y ε) que se reparten las tareas (replicación de la hebra líder y retardada) y corrección de errores. La γ interviene en la replicación del ADN mitocondrial. 3.- La cromatina eucariótica tiene varios orígenes de replicación denominados replicones: se forman unas 100 burbujas de replicación que se distribuyen irregularmente y que se activan de una manera coordinada. 4.- Los fragmentos de Okazaki son más pequeños que en procariotas; tienen un tamaño que oscila entre los 100 y los 200 nucleótidos. 5.- El ADN eucariótico está asociado a las histonas. Se ha observado que la hebra que sirve de patrón para la hebra conductora es la que se queda con las histonas y ambas, la patrón y la conductora, se arrollan sobre los octámeros antiguos de histonas. La hebra retardada y su patrón se arrollan sobre nuevos octámeros de histonas y forman nuevos nucleosomas. 6.- El ARN cebador de los extremos no se puede sustituir. Esto hace que los telómeros (extremos de los cromosomas) se vayan acortando un poco cada vez que la célula se divide, fenómeno que se asocia a los procesos de envejecimiento y muerte celular. 7. ARN (ÁCIDO RIBONUCLÉICO): ESTRUCTURAS, TIPOS Y FUNCIONES Las moléculas de ARN son de menor tamaño (menor peso molecular) que las de ADN. Cada molécula es un polirribonucleótido. Presenta uracilo y no tiene timina y en algunas ocasiones lleva bases raras como dihidrouracilo, pseudouracilo o dimetilguanina. Como pentosa tiene -D ribofuranosa. El ARN es monocatenario excepto en algunos virus (reovirus), sin embargo en algunas regiones puede poseer estructura secundaria según el modelo de Watson-Crick por complementariedad de bases entre dos zonas del polinucleótido; en estos casos el Uracilo es la base complementaria de la Adenina y entre ambas se establecen dos enlaces de hidrógeno (a veces aparecen enfrentadas bases no complementarias). En ocasiones el ARN puede poseer estructura terciaria, por ejemplo en el ARNr donde se asocia a proteínas. Las proporciones de bases nitrogenadas complementarias en la molécula de ARN no son constantes. Se conocen ARN biocatalizadores, las ribozimas, y su existencia hace pensar que, posiblemente, los primeros organismos vivos que se desarrollaron en la Tierra tenían ARN como molécula que conservaba, expresaba y transmitía de generación en generación la información genética; más tarde las funciones de conservación y transmisión pasaron al ADN que es mucho más estable que el ARN y el ARN se quedó con las funciones de expresión del mensaje genético, reparación, etc. Apoya esta hipótesis el hecho de que en las células actuales la duplicación del ADN sólo es posible si se parte de un pequeño ARN que actúa de cebador inicial. Según su tamaño, estructura y funciones se distinguen, en las células, tres tipos principales de ARN: ARNs o ARNt (soluble o de transferencia o transferente), ARNm (mensajero) y ARNr (ribosómico). Los tres se forman por transcripción a partir de un trozo de una cadena molde de ADN. También hay ARN vírico, monocatenario (virus del mosaico del tabaco, de la gripe o del SIDA) o bicatenario (reovirus), portador de la información genética de los virus. 7.1. ARN de transferencia o soluble Es monocatenario pero tiene algunas zonas con estructura secundaria en doble hélice por complementariedad entre bases dentro de la única cadena. Es relativamente pequeño, unos 25000da de masa molecular y unos 70 a 90 nucleótidos encadenados con enlaces fosfodiéster 3´5´. Se conocen unos 50 ARNt, se encuentran dispersos en el hialoplasma y su función es la de transportar hasta los ribosomas, donde serán encadenados según la secuencia indicada por el ARNm que esté siendo "leído" por el ribosoma para formar proteínas. Los ARN transferentes, además de las bases nitrogenadas principales o normales, presentan bases modificadas como el pseudouracilo o derivados metilados como la metilguanosina, la dimetilguanosina, etc. Su estructura secundaria es en forma de hoja de trébol, ya que en algunas zonas de la cadena hay emparejamiento de bases complementarias mediante enlaces de puente de hidrógeno. El resultado son cuatro brazos: brazo D, brazo T, brazo anticodón y brazo aceptor de . Uno de los brazos contiene los extremos de la molécula, el extremo 3´ y el extremo 5´. Es el brazo aceptor de aminoácidos (brazo del aminoácido en la figura). Al extremo 3´, que termina siempre por las bases -C-C-A, es al que se unirá un aminoácido específico durante la síntesis proteica. El extremo 5´ termina siempre con una guanina que suele estar fosforilada. 60 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos En el brazo opuesto (asa central) hay 7 bases, tres de las cuales constituyen el anticodón. Por este brazo, el ARNt va a unirse a los ARNm por complementariedad de tripletes de bases nitrogenadas (triplete= 3 bases). Según cual sea el triplete del anticodón, el que se une al extremo 3´ será uno u otro de los 20 habituales y según cual sea el triplete de ARNm leído, entrará en el ribosoma un ARNt específico. Esta correspondencia entre el triplete del anticodón y el del extremo 3´ es el código genético (que se estudia más adelante). Así la secuencia de bases nitrogenadas del ARNm indicará el orden en que van a ir entrando en el ribosoma los ARNt y por lo tanto el orden en que se irán encadenando los . En los otros brazos, se encuentran sectores que son comunes a todos los ARNt y sectores específicos para cada uno de ellos. Por el brazo D es por donde se une el enzima aminoacilsintetasa que une el al ARNt y el brazo T es el que reconoce al ribosoma. La estructura terciaria del ARNt es en forma de L: en el vértice se encuentran las dos asas laterales (brazos D y T); en un extremo el asa central (la región del anticodón) y en el otro el brazo aceptor de aminoácidos. 7.2. ARN mensajero: Tiene estructura diferente en las células procariotas y eucariotas. EN EUCARIOTAS Es una molécula monocatenaria con un peso molecular de 200000 a 106, con zonas sin estructura secundaria que alternan con otras zonas en doble hélice (modelo de Watson y Crick) que forman los llamados lazos en herradura. Además se encuentra asociado a proteínas formando partículas ribonucleoproteicas mensajeras. Se forma, en un principio, en el núcleo según síntesis que respeta la complementariedad de bases con algún fragmento de ADN (un gen). El ARN así formado es un pre-ARNm llamado también ARN heterogéneo nuclear (ARNhn) o ARNm precursor y presenta una gran variedad de tamaños. En esta molécula se encuentran segmentos con información denominados exones que alternan con segmentos sin información llamados intrones. A continuación este ARNm precursor, sufre un proceso de maduración en el que pierde los intrones y queda convertido en un ARNm en disposición de ser captado y leído por los ribosomas. Durante su proceso de maduración, el ARNm precursor, además de perder los intrones sufre dos añadidos: 1.- En su extremo 5´ se añade una cabeza denominada líder, que consta de unos 20 a 200 nucleótidos y que sirve para enganchar el ARNm al ribosoma. El líder comienza siempre con una guanosina trifosforilada e invertida (GTP), los 20 a 200 nucleótidos añadidos no son información genética sino que constituyen la señal de inicio para la síntesis de la proteína. 2.- En su extremo 3´ se añade una "cola" de poli-A que consiste en unos 150 a 200 nucleótidos de adenina. Esta "cola" es un elemento estabilizador, junto con la guanosina trifosforilada e invertida de la cabeza líder, frente a la acción de las exonucleasas. IES Alfonso II Camino Peláez 61 BIOLOGÍA Los ácidos nucleicos El resultado de todos estos procesos es un ARNm maduro o simplemente ARNm que pasa al hialoplasma, donde su información servirá para la síntesis proteica. EN PROCARIOTAS Se puede considerar que no existe proceso de maduración propiamente dicho. El ARN transcrito del ADN ya es funcional. No hay partículas ribonucleoproteicas mensajeras, no hay guanosina trifosforilada en el segmento líder y no hay colas de poli-A. Otra diferencia: En las células eucariotas el ARNm suele ser monocistrónico (codifica para una sola proteína) mientras que en las procariotas es muy frecuente que sea policistrónico (codifica para varias proteínas). 7.3. ARN ribosómico Los ARNr forman parte de los ribosomas. Sus características fundamentales son las siguientes - Son grandes moléculas de entre 500000 y 1,7•106da. - Son polinucleótidos monocatenarios. - En su estructura alternan segmentos lineales con segmentos en doble hélice debidos a la presencia de autocomplementariedad entre distintas zonas del polinucleótido. - También tienen estructura terciaria porque se asocian a proteínas ribosómicas para formar los ribosomas. - El tamaño o el peso de los ARNr suele expresarse en unidades S o unidades Svedberg que miden la velocidad de sedimentación por ultracentrifugación. Cuando se expresa el tamaño de una partícula o molécula en svedberg hay que tener en cuenta que estas unidades no pueden sumarse ni restarse. A veces se habla de un cuarto tipo de ARN en las células eucariotas, el ARN nucleolar o ARNn, pero en realidad el ARNn son los distintos tipos de ARNr inmaduro: El ARNn se encuentra en el núcleo, concretamente formando parte de los nucléolos, orgánulos que se forman a partir de distintas zonas del ADN nuclear llamadas regiones organizadoras nucleolares o NOR (o ON o NO) que están relacionadas con ciertas regiones de la cromatina, en concreto con los cromocentros específicos en interfase y con los satélites y las constricciones secundarias en los cromosomas. Los ribosomas citoplasmáticos de las células eucariotas se forman en el núcleo: primero se forma un ARN de 45S que se asocia a varias proteínas procedentes del citoplasma para dar lugar a una gran partícula ribonucleoproteica. A continuación el ARN 45S se rompe en tres ARN de 18S, 28S y 5,8S respectivamente. A toda esta estructura se le añade un ARN 5S sintetizado fuera del nucléolo e inmediatamente se escinde esta gran partícula ribonucleoproteica en dos fracciones (40 y 60 S) que salen al citoplasma y que son las dos subunidades ribosómicas. Cuando se unen para sintetizar proteínas forman un ribosoma de 80S. Los ribosomas de las células procariotas y los que se encuentran en el interior de mitocondrias y cloroplastos son más pequeños: cada ribosoma (70 S) está formado por dos subunidades de 30 y 50 S. 62 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana TEMA 7: INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA CÉLULA. ORIGEN DE LA VIDA. ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA DE LA CÉLULA EUCARIOTA: LA MEMBRANA PLASMÁTICA Teoría celular. Organizaciones celulares. Métodos de estudio de la célula. El origen de los seres vivos. La membrana plasmática: Métodos de observación. Composición química y estructura molecular. Fisiología: transporte de sustancias. Biogénesis. Estructuras de protección de la membrana plasmática: pared celular y matriz extracelular. 1. TEORÍA CELULAR Se enuncia a mediados del siglo XIX y hoy es un hecho aceptado; en síntesis dice que: La célula es la unidad anatómica, fisiológica y de reproducción de todos los seres vivos. A su desarrollo contribuyeron: - Leeuwenhoek, que diseña y construye el primer microscopio (siglo XVII). - Hooke que en 1665 observa por primera vez láminas de corcho al microscopio, señala que están formadas por celdas (cells) e introduce así el término célula. - En el siglo XVIII prácticamente no hay avances: en 1774 Corti observa el medio interno celular y en 1781 Fontana descubre la existencia de corpúsculos en este medio interno. - En 1831 Brown observa el núcleo. En 1837 Purkinje observa y describe el protoplasma. - Entre 1837 y 1839 Schleiden y Schwann formulan la primera Teoría celular en la que ponen de manifiesto que: Todos los seres vivos están formados por células que constituyen la unidad estructural y funcional de los mismos. Faltaba por descifrar el origen de las células. - 1855 Wirchow completa la teoría añadiendo que: Toda célula procede de otra célula previa. - 1861 Brucke define la célula como el ser vivo más pequeño conocido. - En esa fecha al tejido nervioso se le consideraba como algo especial porque no se podía ver la separación entre sus células. Ramón y Cajal (1852-1934), observa por primera vez las sinapsis y demuestra la individualidad de las neuronas con lo que la Teoría celular queda definitivamente generalizada y comprobada. - Al conocimiento de las células contribuye definitivamente el microscopio electrónico (M.E.). El primero fue construido en 1937 por Ruska y Knoll. 2. TIPOS DE ORGANIZACIÓN CELULAR 2.1. La Organización Vírica. No es celular propiamente dicha; puede considerarse como una organización viva en determinadas circunstancias, pero en cualquier caso un virus siempre es una estructura acelular que consta de los componentes citados en el cuadro al margen. 2.2. La Organización Procariótica o Procariota. Sus componentes básicos figuran en la tabla al margen. Son bacterias y cianobacterias, siempre unicelulares Se estudian en el tema XIV, junto con otros microorganismos. 2.3. La Organización Eucariótica o Eucariota. Los elementos más importantes de este tipo de células son: Membrana de secreción - Cápside (proteínas) - Ácido nucleico (sólo uno) - Algunas veces otros componentes como enzimas, glúcidos, etc. componentes Tamaño Cápsula 1/10 m Membrana Pared celular Citoplasma Ribosomas e inclusiones sólidas Nucleoide ADN 2C y proteínas Pared celular de celulosa, Matriz extracelular Membrana Plasmática Citoplasma Protoplasma Hialoplasma Citoesqueleto Orgánulos no membranosos Ribosomas, Centriolos, Cilios y flagelos. Sistema de membranas R. E., A. de Golgi, Lisosomas, Peroxisomas, etc. Orgánulos membranosos Mitocondrias y Cloroplastos Envoltura nuclear Núcleo Carioplasma Nucléolos Cromatina IES Alfonso II 63 BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana 3. MÉTODOS DE ESTUDIO DE LA CÉLULA Los métodos que se utilizan para el estudio de la célula se clasifican en dos grandes grupos: 1º) Técnicas para el estudio fisicoquímico de la célula: sirven para conocer su composición y relacionarla con las estructuras celulares. Consisten en el aislamiento, localización e identificación de las sustancias que constituyen la materia viva. Las principales son centrifugación, cromatografía, electroforesis y cultivo "in vitro". Este tipo de métodos tienen que afrontar principalmente dos problemas: - La mayoría de las moléculas que se encuentran en los seres vivos son de una gran complejidad (por ejemplo, una sola de los varios miles de proteínas que contiene una célula puede estar formada por más 5000 aminoácidos). - Los componentes de un ser vivo se encuentran formando mezclas muy complejas. 2º) Técnicas para el estudio morfológico de la célula: permiten conocer cómo es su forma, su tamaño y su estructura. Son, fundamentalmente la microscopía óptica y la microscopía electrónica: microscopio electrónico de trasmisión (MET) y microscopio electrónico de barrido (MEB). Estos métodos permiten la observación directa de la estructura celular. El ojo humano puede distinguir, a 25 cm, dos objetos separados entre sí 0,2 mm. Éste es el poder separador o poder de resolución del ojo. Las células de mamífero suelen tener unos 0,01 mm, por lo que no es posible verlas a simple vista y mucho menos observar en ellas detalles estructurales. El microscopio permite su observación al aumentar el poder de resolución del ojo. 3.1. TÉCNICAS PARA EL ESTUDIO FISICOQUÍMICO DE LA CÉLULA A B C A) CENTRIFUGACIÓN: Consiste en la separación de los componentes de una mezcla en función de su velocidad al someterlos a elevadas aceleraciones (velocidad de sedimentación). Esto se consigue haciendo girar la mezcla en un rotor a un gran número de vueltas por minuto. Los aparatos empleados con este fin se denominan ultracentrífugas. B) CROMATOGRAFÍA: Se basa en la separación de los componentes de una mezcla por sus diferencias de absorción debidas a las fuerzas de Van der Waals que se establecen entre ellos y una sustancia que actúa de fase estacionaria. Según la naturaleza de la fase estacionaria, se distinguen: - Cromatografía sobre papel: se emplea para separar sustancias químicas con propiedades muy parecidas. - Cromatografía de gases: tiene la ventaja de necesitar pequeñísimas cantidades (0,05 mg) y es capaz de separar sustancias muy parecidas químicamente, por ejemplo ácidos grasos, azúcares u hormonas. C) ELECTROFORESIS: Consiste en la separación de los componentes de una mezcla en función de su carga eléctrica. Este método se emplea con sustancias que presentan cargas eléctricas, como proteínas o ácidos nucleicos, que se desplazan hacia el cátodo o el ánodo según su carga eléctrica. D) CULTIVO IN VITRO: Es un método que permite mantener líneas celulares en el exterior de un organismo en condiciones favorables a su multiplicación. La gran ventaja es la facilidad para el tratamiento del material biológico y su estandarización. 64 IES Alfonso II BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana 3.2. TÉCNICAS PARA EL ESTUDIO MORFOLÓGICO DE LA CÉLULA ocular A) MICROSCOPIO ÓPTICO O FOTÓNICO FUNDAMENTO: Una fuente luminosa envía rayos de luz a una primera lente, llamada condensador, que los concentra sobre el revolver objeto a observar. Estos rayos atraviesan el objeto y una lente objetivo denominada objetivo da una imagen aumentada de éste. Una segunda lente, el ocular, vuelve a aumentar la imagen dada por el pinzas objetivo. Esta última imagen es la que será percibida por el platina macrométrico observador. Fuente de PREPARACIÓN DEL MATERIAL: La luz debe atravesar el objeto micrométrico iluminación a observar. Si éste es muy grueso, la luz no lo atravesará y aparecerá demasiado oscuro; además se superpondrán los diferentes planos dando una imagen borrosa. Si el objeto es demasiado delgado o muy transparente, no se observarán sus estructuras. Por ello debe realizarse una preparación del objeto a observar. En general, una preparación requiere las siguientes etapas: - Corte: se realiza mediante aparatos denominados microtomos, que permiten obtener cortes del objeto a observar de apenas unas micras de grosor (entre 3 μ y 20 μ.); el tejido destinado al corte debe congelarse o incluirse en parafina para darle la consistencia adecuada para que se pueda cortar con facilidad. - Fijación: consiste en matar a las células con la menor alteración posible de sus estructuras. Como fijadores se emplean sustancias químicas (ej: formaldehído o tetróxido de osmio). - Deshidratación: permite una mejor conservación y la penetración de los colorantes. Se realiza utilizando alcoholes, cada de vez mayor graduación, que por dilución van extrayendo el agua del material a observar. - Tinción: consiste en colorear las células o partes de ellas para que resalten, posibilitando así su observación. Algunos colorantes son selectivos y tiñen partes concretas de la célula. Ejemplos de colorantes: rojo neutro, azul de metileno, eosina, hematoxilina. - Montaje: entre un portaobjetos y un cubreobjetos. B) MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRASMISIÓN (MET). Los microscopios electrónicos son aparatos de hasta 2 m de alto y llegan a pesar 500 kg; permiten aumentos útiles de 2000 a 100000, pudiendo llegar hasta 600000. FUNDAMENTO: En esencia es similar al del microscopio óptico. Un cátodo emite un haz de electrones que son acelerados por la aplicación de una diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo. El flujo de electrones es concentrado sobre el objeto por una primera lente magnética que hace las veces de condensador. Los electrones atraviesan la muestra. Una segunda lente magnética, el objetivo, da una imagen aumentada del objeto. Una tercera lente, el ocular, aumenta de nuevo la imagen dada por la anterior. La imagen final es proyectada sobre una pantalla o fotografiada. PREPARACIÓN DEL MATERIAL: Los electrones necesitan desplazarse en el vacío, por lo que no es posible la observación de células vivas al microscopio electrónico. La muestra es fijada mediante fijadores no coagulantes como el tetróxido de osmio. Los metales pesados que contienen se fijan selectivamente a las diferentes estructuras celulares; aquellas que retengan más los metales aparecerán más oscuras. La imagen depende mucho del tipo de fijador utilizado. Posteriormente la muestra es deshidratada e infiltrada mediante una resina o plástico para darle una mayor consistencia y facilitar su corte. Los cortes se realizan mediante ultramicrotomos de cuchilla de vidrio o de diamante. C) MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (MEB). Permite obtener imágenes tridimensionales del objeto a estudiar y es muy útil para revelar estructuras anatómicas submicroscópicas; sin embargo su aumento no suele pasar de 20000. Primero se efectúa un sombreado metálico de la superficie de la muestra y la réplica obtenida es barrida por un haz de electrones. Los electrones secundarios que se forman son captados y convertidos en imágenes sobre una pantalla. IES Alfonso II 65 BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana 4. EL ORIGEN DE LOS SERES VIVOS CONDICIONES INICIALES Uno de los aspectos más sorprendentes del origen de la vida sobre la Tierra es la rapidez con la que se llevó a cabo. Los estudios de datación basados en los meteoritos indican una edad de 4500 millones de años para el Sistema Solar. Si se acepta que el Sol, los planetas, los meteoritos y el resto de los componentes del Sistema Solar se formaron al mismo tiempo a partir de una nube de polvo primitiva, 4500 millones de años será también la edad del planeta Tierra. Algunas rocas sedimentarias con una edad de 3500 a 3200 millones de años contienen microfósiles similares a bacterias. Por lo tanto, sólo 1000 millones de años después de que se originase la Tierra ya existía sobre ella una vida primitiva. También hay que tener en cuenta que las condiciones existentes en la Tierra antes de la aparición de los seres vivos eran muy diferentes de las actuales. Sin entrar en cuestiones tales como la presión o la temperatura, la composición de la atmósfera primitiva era muy distinta de la actual; se cree que estaba formada fundamentalmente por una mezcla de metano (CH4), amoníaco (NH3), hidrógeno (H2) y vapor de agua (H2O). Al no haber oxígeno, la atmósfera era reductora, y no oxidante como la actual, y la falta de ozono (O3) hacía posible que los rayos ultravioleta atravesaran la atmósfera y llegaran a la superficie terrestre. EL ORIGEN DE LA VIDA: TEORÍA DE OPARIN-HALDANE La generación espontánea, teoría según la cual los seres vivos pueden originarse a partir de la materia inanimada, era una idea corriente y ampliamente aceptada hasta el siglo XIX. Se basaba en la observación de que si se ponía en un recipiente cualquier clase de materia orgánica, al cabo de un cierto tiempo, aparecerían en ella los organismos más diversos. Se creía que estos organismos se formaban espontáneamente, sin necesidad de que otros los hubiesen engendrado. El origen de la vida sobre la Tierra no planteaba, por lo tanto, ningún tipo de dificultad, pues podría haber ocurrido también de manera espontánea. En 1860 Pasteur realizó cuidadosos experimentos mediante los cuales demostró que todo ser vivo procede de otros seres vivos semejantes a él. Estas experiencias, al destruir la idea de la generación espontánea, plantearon el problema de cómo se habían originado en un principio los seres vivos. En 1924 el bioquímico ruso Oparin y en 1929 el inglés Haldane emitieron, independientemente el uno del otro, una teoría según la cual las radiaciones ultravioleta o las descargas eléctricas producidas por las tormentas, al atravesar la atmósfera, habrían originado los componentes básicos de los seres vivos. La ausencia de oxígeno y de organismos habría hecho posible que estas sustancias orgánicas, formadas al azar, se fuesen acumulando en las aguas de mares y lagos. Se formaría así lo que se ha llamado el caldo nutritivo o sopa primitiva; las moléculas se irían asociando formando nuevas moléculas orgánicas hasta aparecer, en algún momento, la capacidad de autorreplicación de algunas de esas moléculas, que utilizarían a otras como fuente de materia y energía. Para Oparin y Haldane, por tanto, la vida se originó en un momento muy concreto y con unas condiciones que ya no existen en la actualidad, pues la atmósfera oxidante y los seres vivos hacen imposible que esto pueda repetirse ahora. EL EXPERIMENTO MILLER En 1952 Urey volvió a expresar la teoría de Oparin-Haldane en su libro "Los planetas". Tanto él como Miller iniciaron en la Universidad de Chicago una serie de experiencias (utilizando el dispositivo de la figura) para averiguar si era posible que las fuentes de energía que había en la Tierra primitiva, pudiesen generar compuestos orgánicos a partir de los componentes que se encontraban en la atmósfera. Estas experiencias permitieron dar una base experimental a la hipótesis de Oparin-Haldane sobre el origen de la vida. Electrodos Entrada de gases Gases Condensador Toma de m uestras ORIGEN Y EVOLUCIÓN CELULAR La formación de las células y su evolución es un proceso continuo que, para su estudio, puede dividirse en estas etapas: - Evolución química: las primeras células. - Evolución de los organismos procariotas. - Origen de las células eucariotas. - Origen de las células vegetal y animal. - Origen y evolución de los organismos pluricelulares (hongos, vegetales y animales). Calor 66 IES Alfonso II BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana Las primeras células: La formación de las primeras células a partir de la sopa primitiva (evolución química) requiere los siguientes pasos: - Síntesis y concentración de los monómeros biológicos: aminoácidos, monosacáridos, bases nitrogenadas, etc. - Polimerización de esos monómeros, formándose los primeros polímeros: proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos. - Segregación, a partir de la sopa primitiva, de pequeñas vesículas rodeadas por membranas: los protobiontes o coacervados, diferentes químicamente del medio circundante y con una identidad propia. - Desarrollo, en el interior de algunos de ellos, de algún tipo de maquinaria reproductora (probablemente ARN capaz de autorreplicarse), lo que les permitió formar copias de sí mismos. Serían las primeras células. Se cree que las primeras células eran procariotas, heterótrofas y anaerobias y se estima que aparecieron hace unos 3800 millones de años (m.a.). Se trataría de organismos similares a las bacterias fermentadoras actuales, aunque su maquinaria bioquímica sería mucho más simple. La disminución de la cantidad de materia orgánica, como consecuencia de los propios procesos de fermentación, habría terminado con estas primeras formas de vida, de no haberse producido el desarrollo de los primeros organismos fotosintéticos. Hace unos 3000 m.a. aparecieron las bacterias fotosintéticas, que al liberar oxígeno a la atmósfera la transformaron en la atmósfera oxidante actual. La presencia de oxígeno supuso la desaparición de muchas de las células existentes en ese momento, pero otras se adaptaron a su presencia y algunas comenzaron a utilizarlo para sus reacciones metabólicas, lo que dio lugar a la respiración aerobia. El origen de las células eucariotas: Actualmente se piensa que las células eucariotas provienen de las procariotas y para explicar esta evolución se consideran dos teorías: a) La teoría autógena defiende que las células eucariotas aparecieron por un progresivo desarrollo del sistema de membranas internas a partir de la membrana citoplasmática, lo que permitió la organización de los diferentes orgánulos. b) La teoría de la endosimbiosis o simbiogénesis (Lynn Margulis, Chicago 1938) supone que las células eucariotas proceden de la unión simbiótica de varios tipos de células procariotas: las mitocondrias serían bacterias aerobias, los cloroplastos bacterias fotosintéticas o cianobacterias, los cilios y flagelos provendrían de espiroquetas, etc. Apoya esta teoría el hecho de que orgánulos celulares como mitocondrias y cloroplastos poseen su propio ADN y sus propios ribosomas, que son de tipo bacteriano. Lo más probable es que las dos teorías sean en parte ciertas y los diferentes orgánulos tengan diferentes orígenes. Por ejemplo podría haber ocurrido que procariotas con mesosomas (pequeños repliegues internos de la membrana plasmática) muy desarrollados dieran origen al R. E. y a la base sobre la que se asentarían todos los demás orgánulos: - Bacterias aerobias darían lugar a las mitocondrias. - Cianobacterias (antes llamadas algas cianofíceas), darían lugar a los cloroplastos. - Bacterias espiroquetas darían lugar a los centriolos, cilios y flagelos. Etc. Hacia las diferentes formas de vida: Con la célula eucariota apareció la reproducción sexual. Unas de las principales características de las células eucariotas son la presencia de un núcleo separado del citoplasma y la estructuración del ADN en cromosomas, lo que se desarrolló posiblemente para poder intercambiar más fácilmente el material genético. (Los procariotas actuales pueden también intercambiar ADN, pero en ellos predominan los mecanismos de reproducción asexual sobre los de reproducción sexual). La reproducción sexual fue lo que permitió la diversificación de los seres vivos, la aparición de los organismos megascópicos y la adquisición de la gran complejidad que estos tienen en la actualidad. Los primeros restos fósiles de células eucariotas datan de hace 1800 m.a.; hace 1000 m.a. comenzó la especialización de asociaciones de células en distintas funciones, lo que daría origen, hace unos 800 m.a. a la aparición de los organismos pluricelulares. La producción de oxígeno por los organismos fotosintéticos, además de transformar la atmósfera reductora en oxidante, dio lugar a la capa de ozono (O3), capaz de absorber la mayor parte de las radiaciones ultravioleta. Esto posibilitaría la aparición de los organismos terrestres (hace unos 400 m.a.). IES Alfonso II 67 BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana 5. ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA DE LA CÉLULA EUCARIOTA: LA MEMBRANA PLASMÁTICA La membrana plasmática es la envoltura que rodea a la célula y la separa de su entorno. Su aparición fue un paso crucial en el origen de las primeras formas de vida. Fue definida por Palade en 1967. Sólo es visible al M.E. y se observa como una delgada película de unos 7,5 nm (75 Å) de espesor que limita el medio interno de las células y está presente en todo tipo de células conocidas. 5.1. OBSERVACIÓN En membranas preparadas con O4Os se pueden ver tres capas: dos periféricas y densas a los electrones que rodean a una intermedia menos densa. Además en el lado exterior suele aparecer un revestimiento fibroso de un espesor variable (50 / 100 / 2000 Å) formado por fibras de unos 15 Å de diámetro, se denomina cell coat glicocaliz o glucocalix. Esta misma observación (salvo el revestimiento fibroso) puede hacerse en todas las membranas celulares conocidas: R.E., A. Golgi, vacuolas, etc. En 1959 Robertson y Danielli definen esta estructura y la llaman Unit Membrane, membrana unitaria o membrana básica o unidad de membrana. Desde el principio se sospechaba que lo observado con la técnica del O4Os no se correspondía con la realidad de la célula viva, sino que era una consecuencia de la desnaturalización de las proteínas debido a la agresividad del método empleado. Por este motivo se intentaron métodos más naturales como el de criofractura, que no provocan desnaturalización alguna: Por congelación ultrarrápida y criofractura con desgarres tangenciales a la membrana, se observan dos hemimembranas con proteínas globulares (50/80 Å) intercaladas entre ambas mitades, con parte de su cuerpo en una hemimembrana y parte en la otra. 5.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA Y ESTRUCTURA MOLECULAR A) COMPOSICIÓN QUÍMICA: Su estudio fue iniciado por Overton (1899). Formada por Proteínas (60%), Lípidos (40%) y Oligo y polisacáridos en proporción variable (las proporciones pueden variar). - Los lípidos son anfipáticos: fosfolípidos (los más abundantes), glicolípidos, colesterol y ácidos grasos (pequeña proporción). - Las proteínas, en cuanto a su estructura, son globulares, algunas son hidrófobas, otras hidrófilas y otras con parte hidrófila y parte hidrófoba. En cuanto a sus funciones biológicas, algunas intervienen en intercambios entre el interior y el exterior celular, otras son la señal de identidad de la célula (antígenos), otras son receptoras de información extracelular, otras son enzimas, etc. B) ESTRUCTURA MOLECULAR: Se refiere a cómo están colocadas las moléculas que constituyen la membrana. El modelo de membrana plasmática que se acepta actualmente integra los conocimientos que se poseen sobre la disposición de sus componentes, y fue propuesto por Singer y Nicholson en 1972 con el nombre de "modelo del MOSAICO FLUIDO". Según dicho modelo los lípidos están dispuestos en bicapa, enfrentados por sus polos hidrófobos, y aportan la estructura básica de la membrana. 68 IES Alfonso II BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana Las proteínas, en su mayoría, están intercaladas o inmersas entre los lípidos y sólo algunas en la periferia, sobre los lípidos, ya sea en la cara interna o externa de la membrana. Un 50 a 70% de las proteínas son hidrófobas total o parcialmente y están inmersas en la bicapa lipídica, son las proteínas integrales o intrínsecas (como la adenilciclasa). Algunas de las proteínas intrínsecas atraviesan la membrana de lado a lado: son las llamadas proteínas transmembrana. El resto de las proteínas son hidrosolubles y se disponen en las superficies de la bicapa de lípidos unidas por enlaces débiles con los polos hidrófilos de los lípidos, son las proteínas periféricas o extrínsecas. Oligosacáridos y polisacáridos están siempre asociados a proteínas o (en menor medida) a lípidos. Se sitúan en la cara extracelular formando el llamado glicocalix o glicocáliz o manto celular (cell-coat) y este hecho unido a que proteínas y lípidos son diferentes en ambas caras de la membrana da como resultado una fuerte asimetría funcional en la membrana plasmática: la membrana plasmática tiene carácter asimétrico Las moléculas que componen la membrana plasmática no están unidas entre sí por enlaces covalentes, pero no se están quietas, de tal manera que la membrana plasmática no es estática y sus componentes pueden moverse con cierto grado de libertad. Se dice por ello que la membrana plasmática es "fluida" o que, al menos, se comporta como un fluido y esto explica su comportamiento biológico, las deformaciones, el paso de sustancias lipófobas a través de ella, etc. la membrana plasmática es fluida Hay excepciones: se sabe que existen, en algunas membranas, zonas totalmente estáticas que, además, impiden la difusión de moléculas entre zonas vecinas (por ejemplo, las células que tapizan el intestino y se encargan de la absorción). La fluidez es una de las características más importantes de las Perspectiva caballera: las flechitas son los membranas celulares. Depende de: receptores de membrana - La temperatura: la fluidez aumenta al aumentar la temperatura. Si aumenta la temperatura de una célula, sin llegar a problemas de desnaturalización, la membrana será mucho más fluida. - La longitud de los ácidos grasos de sus lípidos y el grado de saturación de éstos (es decir su punto de fusión): la presencia de lípidos insaturados y de cadena corta favorece el aumento de fluidez. - La presencia de colesterol: el colesterol, que carece de ácidos grasos, se intercala entre los lípidos polares y regula el grado de fluidez de la bicapa lipídica. Por una parte delimita zonas de difusión lateral, pone freno al movimiento de los lípidos (endurece las membranas) y por otra parte, al ser más corto que los fosfolípidos, se coloca entre sus cabezas polares impidiendo la unión de las monocapas y la "cristalización" de la bicapa que supondría una gran pérdida de la fluidez. Los animales poiquilotermos (también llamados ectotermos), para mantener constante la fluidez de la membrana, varían su composición lipídica en función de la temperatura ambiente. Los movimientos que pueden realizar los lípidos de la membrana son rotación, flexión, difusión lateral y flip-flop (de un lado al otro de la membrana: poco frecuente). Los movimientos que pueden realizar las proteínas son similares pero mucho más lentos y limitados. IES Alfonso II 69 BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana 5.3. FISIOLOGÍA -La membrana plasmática separa a la célula de su entorno: es la frontera física entre el medio intra y extracelular. Sin embargo esta no es su única función. Otras funciones importantes de la membrana plasmática son: - Es una barrera de permeabilidad selectiva: controla el intercambio de sustancias entre la célula y el medio (mediante el transporte de iones y moléculas a través de la membrana) y es responsable de producir, modular y mantener los gradientes electroquímicos a ambos lados de la membrana. - Constituye un medio de relación de la célula con su entorno: recibe y de reconoce ciertas sustancias (ej: hormonas) y controlar las relaciones y contactos con otras células, tejidos, medios externos, etc. Para ello contiene en la disposición adecuada moléculas dinámico-estructurales como antígenos, receptores hormonales, etc. - Controla el desarrollo, crecimiento y división de la célula. - Sirve de soporte a numerosas reacciones químicas: muchas de sus proteínas son enzimas, como las ATPasas que actúan en la síntesis de ATP (Las membranas celulares internas realizan otras funciones como delimitar compartimentos, etc). Se estudia una de estas funciones: el TRANSPORTE (intercambio de sustancias entre la célula y el medio): TRANSPORTE DE SUSTANCIAS La membrana debe permitir que moléculas esenciales, como glucosa, aminoácidos, etc, penetren fácilmente en la célula y que los productos de desecho salgan de ella. La gran diferencia de composición química entre el interior y el exterior de la célula sugiere claramente una permeabilidad selectiva. La membrana plasmática es semipermeable, deja pasar el disolvente (agua) pero no el soluto. Pero gracias a distintos sistemas de transporte, puede ser atravesada de una manera selectiva por muchas moléculas. Se distinguen varios mecanismos de transporte de sustancias a través de la membrana plasmática: A) TRANSPORTE DE MOLÉCULAS PEQUEÑAS Puede ser de dos tipos básicos: Transporte pasivo y transporte activo. - TRANSPORTE PASIVO O DIFUSIÓN: se realiza sin consumo de energía y a favor de gradiente, ya que la sustancia se desplaza al existir una diferencia de concentración (gradiente de concentración), una diferencia de carga eléctrica (gradiente eléctrico o potencial de membrana) o ambas (gradiente electroquímico). Puede ser de dos tipos: difusión simple y difusión facilitada. a) En la difusión simple la sustancia se desplaza a través de la membrana directamente: -El agua atraviesa la membrana por ósmosis (difusión a través de la membrana plasmática que, dentro de ciertos límites, se comporta como semipermeable) como consecuencia de una diferencia de presión osmótica. -Las pequeñas moléculas apolares (urea, glicerol, O2, CO2, hormonas esteroideas, etc) atraviesan la membrana disueltas en la bicapa lipídica, a mayor velocidad cuanto mayor sea su liposolubilidad. -Pequeñas moléculas polares (iones, etc) arrastradas por el agua atraviesan la membrana a través de canales formados por proteínas transmembrana. Estos canales actúan como auténticas puertas y están regulados en su apertura y cierre. Algunos se abren por la unión a un ligando, y se llaman canales regulados por ligando. Otros se abren como respuesta a un cambio de potencial y se denominan canales regulados por voltaje (o por concentración iónica). La actividad de este tipo de canales es muy importante (ej. en la transmisión del impulso nervioso). b) En la difusión facilitada el transporte se realiza gracias a la actividad de proteínas transportadoras (también llamadas navetas, lanzaderas o permeasas). Se trata de proteínas transmembrana que al unirse a la molécula a transportar, sufren un cambio en su estructura terciaria que arrastra dicha molécula hacia el otro lado de la membrana. Este tipo de transporte es altamente específico, cada molécula sólo puede ser transportada por una determinada permeasa, y se utiliza para sustancias orgánicas de carácter polar: iones, azúcares, aminoácidos, nucleótidos, etc. 70 IES Alfonso II BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana - TRANSPORTE ACTIVO: supone gasto de energía, siempre en forma de ATP y se realiza contra gradiente (de concentración, eléctrico o electroquímico). En este proceso intervienen proteínas transmembrana: enzimas ATPasas que se unen a ciertos sustratos a un lado de la membrana y los pasan al otro lado extrayendo de la hidrólisis de ATP la energía necesaria para el transporte. El mecanismo de actuación es como sigue: al hidrolizarse el ATP cambia la estructura terciaria de la proteína transportadora; como consecuencia se une a un ligando (el sustrato a transportar) y le pasa de un lado al otro de la membrana. Pertenecen a este tipo de transporte las llamadas bombas de Na+ - K+, las de Ca++, etc. Como ejemplo de transporte activo se estudia la Bomba de sodio-potasio, sistema de transporte cuyo papel es primordial para que se origine y se mantenga el potencial de membrana en las células animales; (diferencia de potencial entre el interior, cargado negativamente, y el exterior, con carga positiva en una célula en reposo). En este sistema de transporte intervienen dos proteínas: - La ATPasa Na+- K+ dependiente es la bomba de sodio-potasio propiamente dicha; se trata de un enzima capaz de hidrolizar el ATP, que bombea cationes sodio hacia el exterior de la célula y cationes potasio hacia el interior, de manera que por cada molécula de ATP hidrolizado se transportan tres iones Na+ hacia el exterior de la célula y dos de K+ hacia el interior. - El canal de fuga de potasio, que permite la salida de cationes K+ al exterior de la célula colaborando de este modo a que se acumulen en el exterior los iones con carga positiva, quedando el interior de la célula cargado negativamente (debido a la presencia de moléculas de gran tamaño con carga negativa). Si no funcionase la bomba de sodio-potasio, la salida de iones K+ se vería frenada por la acumulación de cargas positivas en el exterior, lo que unido a que la membrana plasmática es algo permeable al catión Na+ supondría, con el tiempo, la desaparición del potencial de membrana; la bomba de sodio-potasio es la que mantiene la diferencia de concentración de estos iones a ambos lados de la membrana. Este mecanismo permite a las neuronas mantener en su citoplasma una concentración 10 veces menor de Na+ y 10 veces mayor de K+ que en el exterior; estas diferencias de concentración son la base para la transmisión del impulso nervioso. Las neuronas emplean hasta el 70% de sus recursos energéticos en ésta actividad (necesitan restablecer continuamente el potencial de membrana); otras células emplean un 30 %. B) TRANSPORTE DE MOLÉCULAS GRANDES, CITOQUÍMICO O EN MASA Permite la entrada o salida de la célula de sustancias envueltas en una membrana. Se trata de un mecanismo básicamente nutricional propio de células aisladas. También interviene en los procesos de ingestión de sustancias lipídicas en el epitelio intestinal, en los procesos de defensa, de formación o síntesis de algunas sustancias como la hormona tiroxina, etc. Se realiza mediante dos mecanismos: endocitosis y exocitosis. - ENDOCITOSIS: Las sustancias penetran en la célula envueltas en vesículas formadas a partir de la membrana plasmática: este mecanismo implica una invaginación de la membrana que encierra cierto volumen del medio extracelular y se cierra separándose de la superficie celular; se forma así una vesícula endocitótica, endosoma o fagosoma que está aislada del hialoplasma por una membrana que proviene de la membrana plasmática; en el proceso se consume ATP. Se distinguen dos tipos de endocitosis según el material ingerido: a) Fagocitosis: se ingieren grandes partículas visibles al microscopio óptico (bacterias, restos de células, partículas alimenticias, etc). Aunque todas las células son capaces de incorporar partículas, hay células especializadas en la fagocitosis, por ejemplo las amebas (protozoos) o los glóbulos blancos de la sangre, que realizan este proceso por medio de pseudópodos La formación de pseudópodos exige la intervención del complejo modulador de la superficie celular (complejo microtubular y microfibroso proteico con función esquelética que se asocia a la membrana plasmática en su cara interna). IES Alfonso II 71 BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana b) Pinocitosis: se ingieren pequeñas gotitas del medio extracelular (partículas disueltas que sólo son visibles al microscopio electrónico). Da lugar a pequeñas vesículas o vacuolas pinocitóticas que, ya en el interior de la célula, suelen fusionarse para formar vacuolas de mayor tamaño. La zona de la membrana donde se realizan procesos de endocitosis está revestida en su cara hialoplasmática por materiales proteicos filamentosos de manera que las vesículas formadas están revestidas, recubiertas por varias proteínas que configuran estructuras poligonales. La más importante de estas proteínas es la clatrina. Un caso particular es la endocitosis mediada por receptores: Mediante endocitosis una célula puede incorporar moléculas específicas: determinadas zonas de la membrana poseen receptores específicos a los que se fijan las sustancias a incorporar. Una vez fijadas, la membrana se invagina por acción de clatrinas u otras proteínas similares. Una vez formada la vesícula endocitótica revestida, los receptores se reciclan rápidamente hacia la membrana por mecanismos de fusión membranar. Así es como se incorpora el colesterol al interior de las células; en algunas personas la ausencia de proteínas receptoras del colesterol provoca su acumulación en la sangre, lo que predispone a la aparición de la arteriosclerosis. Paso del colesterol desde la sangre al interior de las células: (ver figura) El colesterol unido a las LDL es recibido por receptores de membrana, se acumula en ciertas zonas deprimidas de la membrana donde, gracias a la acción de las clatrinas se forman vesículas de endocitosis (vesículas endocitóticas, endosomas o fagosomas). El contenido del endosoma se reparte en dos vesículas: - Los receptores se separan de las LDL debido a la acidez de los endosomas y se concentran en una vesícula que luego los exocita. - Las vesículas que contienen LDL y colesterol contactan con lisosomas, se produce la digestión de las LDL y se liberan aminoácidos y colesterol. - EXOCITOSIS: Es un proceso opuesto a la endocitosis que consiste en la salida de sustancias encerradas en vacuolas (vesículas exocitóticas): la membrana de dichas vesículas se fusiona con la membrana plasmática y éstas se abren al exterior expulsando su contenido. Las vesículas a exocitar provienen de los sistemas internos de membranas o de procesos de endocitosis. - FLUJO DE MEMBRANAS: Las membranas celulares se funden, se sueldan, se rompen y se autosellan con suma facilidad, esta característica se llama proceso de fusión o flujo de membranas. En la célula existe un equilibrio entre exocitosis y endocitosis que asegura el volumen celular. Mientras que las membranas endocitóticas provienen de la membrana plasmática y pueden unirse a lisosomas; las membranas de las vesículas exocitóticas, que provienen casi totalmente del Aparato de Golgi o del Retículo Endoplasmático, van a quedar incluidas en la membrana plasmática. Todo esto constituye uno de los sistemas más importantes de regeneración de la membrana plasmática. Por ejemplo, en un macrófago toda la membrana es ingerida y regenerada en unos 30 minutos. 72 IES Alfonso II BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana 5.4. BIOGÉNESIS La membrana plasmática se renueva constantemente, tanto cuando la célula está creciendo como cuando ya ha alcanzado su tamaño definitivo. Esta renovación se realiza mediante dos procesos: - Flujo o fusión membranar. - Molécula a molécula: cuando una molécula está “vieja” es sustituida por otra nueva. Mecanismos de fusión de membranas: La fluidez de los componentes de la membrana plasmática permite su crecimiento por fusión con membranas provenientes de otros orgánulos celulares, sobre todo con vesículas del Aparato de Golgi: Éstas se forman por gemación en el Aparato de Golgi y se desplazan hasta tomar contacto con la membrana plasmática y fusionarse con ella. De esta manera, las sustancias que puedan contener las vesículas pasan al exterior (exocitosis) y la membrana de la vesícula se integra en la membrana plasmática haciéndola crecer. Sustitución molécula a molécula: se realiza aproximadamente según este ritmo: - Los polipéptidos de mayor tamaño se renuevan cada 2 a 5 días, los más pequeños cada 7 a 13 días. - Los lípidos tienen un promedio de vida de 3 a 7 días. Hay que destacar que casi todos los componentes de la membrana suelen llegar a ella a través del retículo endoplasmático. Se sintetizan en los siguientes lugares: - Las proteínas se sintetizan en los ribosomas: las intrínsecas, transmembrana y periféricas de la cara externa suelen sintetizarse en los ribosomas adosados al Retículo Endoplasmático Granular, pasan a sus cavidades, luego al Aparato de Golgi y por último, gracias a procesos de exocitosis, se incorporan a la membrana plasmática. Las periféricas de la cara interna se suelen sintetizar en los ribosomas libres del hialoplasma. - Los lípidos de membrana se sintetizan en el Retículo Endoplasmático (según se estudia más adelante). - Los polisacáridos y oligosacáridos son añadidos en el interior del Retículo Endoplasmático y en el Aparato de Golgi mediante procesos de glicosilación (según se estudia más adelante). 6. LA PARED CELULAR La pared celular es típica de las células eucariotas vegetales y fúngicas. Es una cubierta situada sobre la membrana plasmática que da a la célula rigidez, forma y protección frente a la deshidratación y las fuertes presiones osmóticas. En determinadas circunstancias puede provocar la muerte de las células por aislamiento total, por ejemplo en el tejido suberoso, xilema, etc. 6.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA La pared de las células eucariotas vegetales está constituida por: - Un componente fibroso, que básicamente está formado por celulosa, polímero lineal de -glucosa, que se agrupa en unidades de 60 a 70 cadenas formando microfibrillas. - Una matriz amorfa que engloba a las microfibrillas anteriormente descritas y que está compuesta fundamentalmente por pectinas, hemicelulosas, agua y sales minerales. En algunas células la pared celular puede sufrir modificaciones e impregnarse de: - Lignina, que da rigidez a las células sin perder su permeabilidad. Es un depósito común en las células que realizan funciones de soporte y conducción (xilema). - Sílice o carbonato cálcico, que también dan rigidez a las células sin perder permeabilidad. Es el caso de las células epidérmicas de gramíneas y muchas algas respectivamente. - Suberina, cutina o ceras, sustancias hidrófobas que impermeabilizan las paredes de las células de tejidos externos: cutina y ceras en células epidérmicas de hojas y frutos; suberina en tejidos secundarios como la corteza de muchos árboles (súber o corcho). En la mayoría de los hongos la pared celular está formada básicamente por quitina. 6.2. ESTRUCTURA Cuando una célula vegetal se divide origina dos células hijas que se mantienen juntas. La primera capa que se forma entre ellas es la lámina media, común a ambas células y compuesta principalmente por pectinas. Se forma a partir de vesículas del aparato de Golgi que se fusionan formando una lámina o fragmoplasto; el contenido de estas vesículas da lugar a la lámina media y sus membranas a las correspondientes membranas plasmáticas de las células vecinas. Entre la lámina media y la membrana plasmática se depositan capas formadas por moléculas de celulosa dispuestas en red y abundante matriz (75%), que desplazan la pectina hacia fuera y que constituyen la pared o lámina primaria. IES Alfonso II 73 BIOLOGÍA Introducción a la Célula. Membrana La lámina primaria se sintetiza por la acción de la celulosa-sintetasa, enzima situado en la membrana plasmática. Cuando la célula deja de crecer, pueden depositarse sobre la pared primaria (entre esta y la membrana plasmática) nuevas capas que constituyen la pared o lámina secundaria. La lámina secundaria es la capa más interna y más gruesa. Presenta microfibrillas de celulosa con orientación paralela, que permite diferenciar capas por la distinta orientación de las microfibrillas. La matriz es escasa (30%) y, en algunas células, se impregna de otros compuestos (lignina y suberina etc). Lámina primaria al M.E. Lámina secundaria al M.E. Punteadura simple Punteadura areolada 6.3 ESPECIALIZACIONES La pared celular no aísla a la célula de su entorno, ya que se encuentra perforada una serie de estructuras que permiten la comunicación intercelular y el intercambio de sustancias. Las principales diferenciaciones de la pared celular son:- Plasmodesmos: son finísimas comunicaciones citoplasmáticas que atraviesan las paredes celulares conectando los citoplasmas de prácticamente todas las células de la planta y permitiendo el intercambio y la libre circulación de líquidos y sustancias (solutos y macromoléculas) necesarios para el mantenimiento de la tonicidad y funciones de la célula. - Punteaduras: son adelgazamientos o áreas finas de la pared celular, zonas donde el depósito de celulosa y de los componentes de la matriz es menos abundante. Su función es la de permitir los intercambios entre células de paredes gruesas. Existen dos tipos de punteaduras: Las simples que se caracterizan porque no presentan pared secundaria, y las areoladas en las que la pared secundaria forma un reborde sobre el campo de poros. 6.4. FUNCIONES La pared celular: Constituye el exoesqueleto de la célula. Permite a la célula vegetal vivir en un medio hipotónico. Permite la circulación de líquidos bajo grandes presiones osmóticas. Constituye una barrera para el paso de agentes patógenos. 7. LA MATRIZ EXTRACELULAR Las células animales no tienen pared celular; en cambio, sobre todo las células aisladas o que comunican directamente con el medio, suelen presentar un glicocalix (cell-coat) muy desarrollado, formado por glucoproteínas y glucolípidos (proteínas y lípidos unidos a oligosacáridos o polisacáridos). Es una capa fibrosa que cumple funciones como: - Selectividad en la incorporación de sustancias de bajo peso molecular. - Reconocimiento específico de células entre si (fecundación, tejidos, etc.) o de moléculas, (antígenosanticuerpos, partículas a fagocitar), etc. - Propiedades inmunológicas, como los antígenos de los eritrocitos. - Anclaje de enzimas. - Cambios en la carga eléctrica del medio extracelular, actuando como resina intercambiadora de iones. 74 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas TEMA 8: ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA DE LA CÉLULA EUCARIOTA: SISTEMAS INTERNOS DE MEMBRANA. Introducción. El Retículo Endoplasmático: estructura (Granular o REG y Liso o REL), composición química, fisiología. El Aparato de Golgi: estructura, composición química, fisiología, biogénesis. Los Lisosomas: estructura, composición química, fisiología, biogénesis. Los Peroxisomas y Glioxisomas. Las Vacuolas. Las Inclusiones. 1. INTRODUCCIÓN En el citoplasma de las células eucariotas existen una serie de estructuras membranosas que están relacionadas entre si y con la membrana plasmática, tanto física como fisiológicamente, hasta tal punto que, en algunas zonas, las membranas que las forman se continúan físicamente entre sí y con la membrana plasmática. Se conocen como sistemas de membranas citoplasmáticas, sistemas internos de membrana o sistemas de endomembranas y constituyen los siguientes orgánulos: - Retículo endoplasmático granular (REG) - Retículo endoplasmático liso (REL) - Envoltura nuclear (se estudia con el núcleo) - Aparato de Golgi (AG) - Lisosomas, peroxisomas, glioxisomas, etc. - Vacuolas 2. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO (RE) 2.1. ESTRUCTURA Es un complejo sistema de membranas que limitan un conjunto de cavidades cerradas de formas muy variables: tubos, sáculos, láminas y cisternas, que se comunican entre si y forman una red continua por todo el interior del citoplasma de las células eucariotas. De este modo organizan las células en compartimentos delimitados por semitabiques; con frecuencia se disponen en capas concéntricas y paralelas al núcleo de la célula. De ellas se separan, en ocasiones, vesículas más o menos globulares que se relacionan con otros orgánulos celulares. La porción del RE que hace frontera entre el núcleo y el hialoplasma constituye la envoltura nuclear (se estudia con el núcleo). IES Alfonso II 75 BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas En el RE se distinguen dos zonas: las membranas reticulares propiamente dichas y las cavidades reticulares que están rodeadas por las membranas. Estructuralmente las membranas reticulares son idénticas a la membrana plasmática: la cara que mira hacia las cavidades se corresponde con la cara extracelular de la membrana plasmática, pero carece de glicocalix; la cara que mira hacia el hialoplasma se corresponde con la cara hialoplasmática de la membrana plasmática. Se diferencian claramente dos tipos de RE: -El retículo endoplasmático rugoso o granular (REG), que lleva ribosomas y polisomas adheridos a la cara hialoplasmática de sus membranas. (Durante la síntesis de proteínas, en los ribosomas, lo más frecuente es que un ARNm sea "leído" por varios ribosomas a la vez. Esta estructura, ARNm engarzando a varios ribosomas, se llama polisoma). -El retículo endoplasmático liso o agranular (REL o REA), que carece de ribosomas y suele tener formas más bien tubulares que laminares. El RE fue descrito por primera vez por Porter en los años 60 del siglo XX. Ambos tipos de retículo pueden encontrarse en una misma célula, ocupando posiciones distanciadas aunque se mantengan comunicados. El REG está muy desarrollado en las células que deben realizar una activa labor de síntesis proteica, como es el caso de las células pancreáticas, hepáticas, etc. Si un animal es sometido a un ayuno prolongado, el REG de sus células pancreáticas se reduce drásticamente. Por el contrario si recibe una rica dieta alimenticia, el REG se recupera rápidamente a partir de zonas reticulares próximas a la envoltura nuclear. El REL, en cambio, está muy desarrollado en las células con predominio de la síntesis de lípidos en cualquiera de sus variables. 2.2 COMPOSICIÓN QUÍMICA Las membranas del RE son como todas las demás: bicapa de lípidos asociada a proteínas, pero ambas biomoléculas se encuentran en proporciones distintas a las observadas en la membrana plasmática. En el RE la proporción es: 30% de lípidos y 70% de proteínas (en la membrana plasmática la proporción era: 40% lípidos por 60% de proteínas). Mientras que los lípidos son prácticamente los mismos que en la membrana plasmática, las proteínas son ligeramente diferentes: - Los ácidos grasos que forman parte de los lípidos de estas membranas son de cadenas más insaturadas y más cortas que los que aparecen en la membrana plasmática; por este motivo las membranas reticulares son más fluidas que las plasmáticas (flip-flop, rotación, difusión lateral, etc). - En cuanto a las proteínas, en el RE se encuentran numerosas hidrolasas (como la glucosa-6-fosfatasa) y otros muchos enzimas relacionados con sus actividades fisiológicas, como son las glicosiltransferasas (alargan polisacáridos), las que insaturizan ácidos grasos, las que los alargan, las esterasas que sintetizan lípidos, etc. En las cavidades reticulares el contenido químico es muy variable; depende del trabajo fisiológico dominante en la célula en cuestión, pero en general se puede decir que es parecido al hialoplasma aunque más rico en proteínas y polisacáridos. Por ejemplo, en las células plasmáticas de la sangre las cavidades reticulares contienen sobre todo inmunoglobulinas; en las células de los islotes de Langerhans (páncreas) contienen insulina, etc. 76 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas 2.3. FISIOLOGÍA Aunque en la práctica resulta imposible, para su estudio se suele diferenciar la fisiología de las membranas reticulares y la de las cavidades reticulares, pero hay que tener en cuenta que todas estas actividades fisiológicas se complementan y no pueden realizarse por partes. 2.3.1. En las membranas reticulares: - En el REG: los ribosomas y polisomas adosados a la cara hialoplasmática de sus membranas son responsables de la síntesis de proteínas que pasan directamente a las cavidades reticulares. Algunas de estas proteínas van a ser exportadas al exterior, por ejemplo, enzimas digestivos; otras pasan a formar parte de la propia membrana reticular o van a ir a la membrana plasmática (en este caso suelen ser proteínas intrínsecas hidrófobas, que pasan a la membrana del RE, o periféricas de la cara extracelular). Con mucha frecuencia, durante su estancia en las cavidades reticulares, las proteínas sufren procesos de maduración como el ensamblarse con otras proteínas o con polisacáridos (glicosilación), la pérdida de parte de su cadena de aminoácidos, etc. Todas las proteínas sintetizadas en los polisomas adosados al REG comienzan por la misma secuencia de aminoácidos. Esta secuencia inicial hace el papel de señal que es captada por receptores especiales del retículo que obligan al ribosoma a pegarse a la membrana reticular e incorporar hacia el interior del REG la cadena de aminoácidos que está siendo ensamblada. Es una secuencia de aminoácidos hidrófobos, la misma para todas las proteínas que se sintetizan de este modo. Una vez en el interior de las cavidades reticulares, esta secuencia inicial-señal es eliminada y no pasa a Como ejercicio, averigua el nombre que corresponderá a cada formar parte de la proteína madura, uno de los números del esquema definitiva o funcional. - En el REL: se realizan actividades metabólicas relacionadas con la síntesis y/o maduración de lípidos y de polisacáridos. Formando parte de sus membranas se encuentran numerosos enzimas y complejos multienzimáticos que intervienen en las siguientes actividades metabólicas: a) Maduración de los ácidos grasos: Los ácidos grasos hasta el estado de 16 carbonos se sintetizan en el hialoplasma; en las membranas reticulares maduran: se alargan y se desaturan. Al ácido palmítico (16 C) se le añaden unidades acéticas mediante el AcetilSCoA y así se forman ácidos grasos de 18, 20, 22, etc. átomos de carbono. Este proceso recibe el nombre formal de elongación de los ácidos grasos. También residen en las membranas reticulares los enzimas encargados de la desaturación de los ácidos grasos, es decir, deshidrogenasas que quitan hidrógenos de las cadenas hidrófobas de los ácidos grasos formándose los dobles enlaces característicos de los ácidos grasos insaturados. Estas reacciones precisan oxígeno y NADP+. b) Síntesis de fosfolípidos y glicolípidos: En el REL se produce la síntesis de todos los lípidos de membrana (glicerolípidos y esfingolípidos) y en líneas generales la síntesis de casi todos los lípidos. A partir del glicerol 3-fosfato, que a su vez puede formarse a partir de la dihidroxiacetona fosfato (producto de la glucólisis), se forman los ácidos fosfatídicos, los fosfoglicéridos, los triglicéridos, etc. c) Síntesis de colesterol y otros esteroides: Las membranas del REL intervienen en la síntesis del colesterol y de todos sus derivados, si bien, en estas vías metabólicas intervienen también las membranas mitocondriales: En las membranas reticulares a partir de acetatos se forma el colesterol que, a continuación, es transportado hasta las membranas mitocondriales por enzimas especiales donde se transforma en pregnenolona; la pregnenolona es transportada a las membranas reticulares de nuevo y se transforma en testosterona o cualquier otro esteroide, según el tipo de célula donde se realice el proceso. IES Alfonso II 77 BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas d) Glicosilaciones y sulfataciones: Las glicosilaciones son reacciones de transferencia de pequeños grupos glucídicos de unas moléculas a otras, mediante las glicosiltransferasas. Estas transferencias se hacen siempre con el pequeño glúcido unido a un nucleótido (el GTP, por ejemplo). Las moléculas aceptoras pueden ser polipéptidos, lípidos o polisacáridos. Así adquieren su parte glucídica los glucolípidos o las glucoproteínas y aumentan su longitud los polisacáridos. Mediante los procesos de sulfatación se transfieren, mediante las sulfotransferasas, grupos sulfato desde unos sustratos a otros, que suelen ser polipéptidos y glúcidos principalmente. e) Detoxificaciones: Cuando una célula, por cualquier motivo, ingiere sustancias que no puede metabolizar o que le resultan tóxicas, las elimina a través de su REL, que transforma las sustancias tóxicas liposolubles en sustancias hidrosolubles que pueden ser eliminadas por la célula. De esta manera se eliminan insecticidas, herbicidas, pesticidas, conservantes, drogas, medicamentos, etc. Las células que hacen este trabajo con mayor intensidad son los hepatocitos (hígado), los epitelios intestinales y los epitelios de la piel. Estos procesos de detoxificación también están relacionados con los procesos alérgicos, intoxicaciones, etc. 2.3.2. En las cavidades reticulares: Las cavidades reticulares están relacionadas con todos los procesos descritos anteriormente pero lo que ocurre en ellas es, principalmente, la acumulación y exportación de las moléculas que han sido sintetizadas o modificadas en las membranas reticulares. Así interviene, por ejemplo, en los procesos de secreción de glucoproteínas (que son exportadas al aparato de Golgi), en la excreción de sustancias tóxicas o en el almacenamiento de moléculas. También se pueden acumular en estas cavidades sustancias exógenas que entran en la célula por pinocitosis. Lo más frecuente es que todas las moléculas que circulan por estas cavidades sufran algún tipo de modificación: glicosilaciones e hidroxilaciones fundamentalmente. Por otra parte las cavidades reticulares cumplen el papel de vías de comunicación entre las diferentes partes de la célula. Muchas moléculas e iones se desplazan de un lado a otro de la célula por el interior del RE sin necesidad de tomar contacto con el hialoplasma. Por ejemplo, algunas de las moléculas que contiene viajan hasta el Aparato de Golgi donde van a condensarse y empaquetarse. Por ello se puede decir que el RE es el sistema circulatorio de la célula. 3. APARATO DE GOLGI 3.1. ESTRUCTURA Puede considerarse como una especialización del RE que, debido a sus particulares y funciones biológicas muy definidas, adquiere entidad de orgánulo. Está formado por unas unidades funcionales llamadas dictiosomas, cada una de las cuales está constituida por un conjunto de sacos aplanados, de forma discoidal, con los extremos dilatados y entre 1 y 3 de diámetro, apilados pero no adosados, y rodeados por gran número de vesículas de diversos tamaños. Las membranas que los limitan son lisas (sin ribosomas). En la práctica microscópica se diferencia el aparato de Golgi del RE por su disposición mucho más ordenada. La organización del Fue descrito en 1898 por el italiano Camilo Golgi que puso a punto la aparato de Golgi varía mucho de las técnica de impregnación con plata que permitió su observación. células animales a las vegetales: En las células animales los dictiosomas son muy claros, suelen disponerse cerca del núcleo, muy próximos entre si, y cada dictiosoma tiene un número mínimo de sáculos que oscila de cinco a ocho. Sin embargo en las células vegetales los dictiosomas suelen estar muy dispersos, son menos aparentes al M.E. (casi pasan desapercibidos) y el número de sáculos por cada dictiosoma no suele pasar de tres o cuatro. 78 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas El número de dictiosomas que posee una célula está íntimamente relacionado con su actividad secretora: a mayor actividad mayor desarrollo del aparato de Golgi. El número medio de dictiosomas es de 20 por célula, pero en las glándulas salivales de algunos dípteros hay hasta 1000 o más, mientras que algunos protozoos sólo poseen un dictiosoma. Cada dictiosoma del aparato de Golgi está polarizado estructural y bioquímicamente y en él se distinguen dos regiones funcionales distintas: - La cara externa o de formación se localiza próxima al RE; sus membranas son finas y de composición similar a la de las membranas del RE. Presenta sáculos fragmentados junto con otros prácticamente completos. Entre ella y el RE se localizan las vesículas de transición (200 Å de diámetro) que derivan del RE. - La cara interna o de maduración suele estar cerca de la membrana plasmática; sus membranas son más gruesas y parecidas a la membrana plasmática. En ella se observan unos sáculos totalmente formados y otros más interiores que están fragmentándose en grandes vesículas (de 400 a 800 Å); son las vesículas de secreción o de transporte. Un dictiosoma, por tanto, siempre está entre un fragmento de RE y una zona donde abundan unas vesículas de gran tamaño, las vesículas de secreción. 3.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA Las membranas del aparato de Golgi son como todas las demás: bicapa de lípidos asociada a proteínas, en estructura de mosaico fluido. La proporción entre lípidos y proteínas es intermedia entre las proporciones de la membrana plasmática y de las membranas del RE: 35% de lípidos y 65% de proteínas. Los ácidos grasos de los lípidos tienen unas colas hidrófobas de longitud intermedia entre las de la membrana plasmática y las del RE, de tal manera que las membranas del aparato de Golgi no son tan fluidas como las del RE (que tienen ácidos grasos de cadena muy corta) pero son más fluidas que las de la membrana plasmática. En cuanto a las proteínas, se conocen unas 30 diferentes; la mayoría son las mismas que se encuentran en las membranas del RE: glicosiltransferasas, sulfotrasferasas, etc, pero también hay otras que son exclusivas del aparato de Golgi y que en su mayoría son estructurales, responsables de las capacidades físicas de estas membranas (fusión de membranas) más que de sus propiedades enzimáticas o químicas. En las membranas del aparato de Golgi, con frecuencia, también hay oligosacáridos y polisacáridos, asociados a las proteínas o a los lípidos, pero siempre orientados hacia el interior de las cavidades. La composición química de las cavidades del aparato de Golgi es muy variable y parecida a la de las cavidades reticulares, aunque con una mayor concentración de proteínas y polisacáridos. 3.3. FISIOLOGÍA En estas membranas no se realiza ninguna vía metabólica exclusiva, simplemente se continúan realizando las que habían empezado en el RE; por ejemplo, una glicosilación determinada puede empezar en el RE, sigue durante el viaje de esta molécula hasta el aparato de Golgi y en él continua glicosilándose, es decir, recibiendo nuevos grupos glucídicos por transferencia, mientras transita desde la cara externa hacia la cara interna. En el aparato de Golgi, por lo tanto, se realizan glicosilaciones, sobre todo elongación y terminación de polisacáridos, incluso en mayor proporción que en el RE. También se realizan sulfataciones, adiciones de grupos sulfato a numerosos sustratos en un proceso que consume energía en forma de ATP. Pero a pesar de la importancia de los procesos anteriores, la función más característica del aparato de Golgi es la de seleccionar y empaquetar distintos productos, preparándolos para su exportación hacia el exterior de la célula o para su utilización interna, en un entorno protegido por membranas. Los productos así seleccionados son proteínas, tales como enzimas digestivos, polisacáridos, hormonas, etc. Prácticamente, todas las proteínas exportables pasan por el aparato de Golgi según la siguiente secuencia: son sintetizadas en los ribosomas adosados al REG, viajan por las cavidades reticulares (en su interior o formando parte de su membrana); posteriormente se incorporan a los sacos de la cara externa del aparato de Golgi a través de las vesículas de transición, originadas por gemación de las membranas del RE; transitan por los sacos del aparato de Golgi hacia la cara interna; desde allí pasan a las vesículas de secreción formadas por fragmentación de los sacos. Cuando no se trata de proteínas el proceso es similar, pero evidentemente no intervienen los ribosomas. IES Alfonso II 79 BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas Las vesículas de secreción pueden acercarse a la membrana plasmática y, por exocitosis, expulsar su contenido al exterior a la vez que su membrana se incorpora a la membrana plasmática. De este modo, el aparato de Golgi interviene en los procesos de secreción y además contribuye a la regeneración de la membrana plasmática. Las células secretoras pueden realizar esta función de forma continua o sintetizar y secretar sus productos como respuesta a un estímulo, por ejemplo en el caso de las hormonas, neurotransmisores, enzimas digestivos, leche, etc. Las células que tienen que formar membrana plasmática en grandes cantidades, lo hacen a partir de numerosísimas vesículas golgianas Por ejemplo, cuando se divide una célula vegetal, durante los últimos momentos de la mitosis, se acumulan gran cantidad de estas vesículas en un plano perpendicular al huso acromático y comienzan a soldarse entre sí formando un doble tabique (fragmoplasto) que termina diferenciándose en membrana plasmática de las células hijas y dividiendo a la célula en dos. Además, el contenido de las vesículas (pectinas) da lugar a la lámina media de la pared celular. El aparato de Golgi también segrega las láminas primaria y secundaria de la pared celular de los vegetales. El aparato de Golgi también distribuye moléculas hacia otras partes de la célula: las vesículas de secreción pueden pasar a formar parte de las membranas y el contenido de los orgánulos citoplasmáticos, por ejemplo, los lisosomas o las vacuolas. 3.4. BIOGÉNESIS Como ya se ha indicado, los sacos que constituyen los dictiosomas se forman por fusión de las vesículas de transición que provienen del RE y se destruyen por fragmentación en vesículas de secreción en la cara interna del dictiosoma. Es un orgánulo, por tanto, que está en continua renovación. 4. LISOSOMAS 4.1. ESTRUCTURA Los lisosomas son vesículas esféricas, limitadas por una membrana y de tamaño variable (entre 400 y 800 Å de diámetro) que se caracterizan por su contenido ácido (pH entre 3 y 6) y con una gran concentración de enzimas hidrolíticos: enzimas digestivos como ribonucleasas, fosfatasas ácidas, lipasas, proteasas, glucosidasas, etc. Su membrana tiene estructura de mosaico fluido, como todas las demás. Están presentes en todas las células eucariotas y fueron descritos por primera vez en 1951 por De Duve. Se clasifican en dos grupos según su contenido: - Lisosomas primarios: contienen únicamente hidrolasas ácidas y son de aspecto homogéneo y pequeño tamaño. - Lisosomas secundarios: además de hidrolasas contienen los sustratos sobre los que actúan esas hidrolasas. Los lisosomas secundarios se forman por la fusión de lisosomas primarios con otras vesículas de origen interno o externo, como las vesículas endocitóticas o autofágicas, en cuyo caso los lisosomas secundarios también se llaman vacuolas digestivas. 4.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA El contenido lisosomal, ya se ha dicho que consiste en enzimas hidrolíticos (lisosomas primarios) o enzimas hidrolíticos y diferentes sustratos (lisosomas secundarios). En cuanto a las membranas, están formadas por lípidos y proteínas, como todas. No se sabe con exactitud cuales son sus proteínas y lípidos exclusivos, pero sin duda tienen que cumplir dos condiciones fundamentales: - Tienen que ser muy parecidos a las proteínas y lípidos de la membrana plasmática, puesto que se fusionan muy fácilmente con ella. - En su cara interna deben poseer algunas moléculas especiales que las protejan frente a la acción hidrolítica de su contenido, impidiendo así que la célula sea digerida por los enzimas lisosomales. Se sabe que las membranas contienen proteínas transportadoras que extraen de la hidrólisis del ATP la energía necesaria para bombear protones hacia el interior del lisosoma manteniendo así el pH ácido. 4.3. FISIOLOGÍA La fisiología de los lisosomas está relacionada con los procesos digestivos de la célula, con el almacenamiento de sustancias de reserva, con ciertos procesos patológicos o con el envejecimiento celular (en los mamíferos). Si la digestión se realiza en vesículas en el interior de la célula (lisosomas secundarios), se denomina digestión intracelular. Si se realiza en el exterior, se trata de digestión extracelular. 4.3.1. DIGESTIÓN INTRACELULAR Según el origen de los materiales digeridos. se distinguen dos tipos: - La heterofagia, cuando el material digerido proviene del exterior de la célula, como es el caso de los nutrientes exógenos. 80 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas - La autofagia, cuando el material digerido ha sido fabricado por la propia célula (material endógeno), como pueden ser mitocondrias envejecidas, fragmentos del RE, etc. A) Heterofagia: El material digerido es capturado por endocitosis (fagocitosis o pinocitosis), quedando incluido en una vesícula endocitótica, que se fusiona a un lisosoma primario (vesícula de secreción del Aparato de Golgi) formándose un lisosoma secundario o vacuola digestiva. En el interior de la vacuola se produce la digestión de los sustratos mediante las hidrolasas: las proteínas se transforman en aminoácidos, los polisacáridos en monosacáridos, las grasas neutras en glicerina y ácidos grasos, los ácidos nucleicos en nucleótidos, etc. Las pequeñas moléculas asimilables que resultan de esa digestión atraviesan la membrana lisosomal y se difunden por el hialoplasma, donde van a ser metabolizadas (utilizadas por la célula). Las moléculas no asimilables se quedan en el interior del lisosoma secundario, junto con las hidrolasas desnaturalizadas: el lisosoma se ha transformado entonces en un cuerpo residual que puede tener diferentes destinos: - Si todavía contiene muchos enzimas funcionales (a), puede reiniciar el ciclo fusionándose a nuevas vesículas endocitóticas para realizar nuevas digestiones. - Si contiene mucho material de desecho acumulado en su interior, pocos enzimas funcionales y la célula limita con el medio exterior (b), se va a acercar a la membrana plasmática para verter su contenido al exterior por exocitosis. - Si, conteniendo mucho material de desecho y pocos enzimas funcionales, la célula no tiene posibilidad de exocitosis (c); la vesícula residual se va a almacenar en algún rincón de la célula. Estos cuerpos residuales no eliminados están relacionados con los procesos de envejecimiento celular en mamíferos, porque cuando ya son muchas las vesículas residuales, la célula pierde su funcionalidad y se muere; es el caso, por ejemplo, de las acumulaciones de pigmento en las neuronas de animales viejos. También se relacionan con enfermedades metabólicas, por ejemplo, la falta de algún enzima lisosómico origina la acumulación de sustancias en la célula, lo que puede ocasionar graves trastornos. B) Autofagia: El proceso es prácticamente idéntico al anterior, pero el material a digerir es endógeno: restos de mitocondrias, porciones de RE, sacos del aparato de Golgi, etc. En este caso, una membrana del RE liso se cierra sobre si misma aislando una porción del citoplasma que puede contener restos de orgánulos y partículas; la vesícula formada, vesícula autofágica o autofagosoma o se fusiona a un lisosoma primario formándose una vacuola digestiva que sigue el mismo proceso que en la heterofagia. La autofagia desempeña un importante papel en la vida de las células, ya que destruye zonas dañadas o innecesarias de las mismas, interviene en los procesos de desarrollo y asegura la nutrición en condiciones desfavorables. Ejemplos: - En algunos casos como la falta de O2, la acción de rayos X o de sustancias tóxicas la autofagia es una respuesta celular para destruir las partes de ella que han sido dañadas. - Durante la metamorfosis de insectos y anfibios, gracias a la autofagia las células pueden realizar un remodelado rápido de sus estructuras destruyendo las partes que no son necesarias. - En caso de ayuno prolongado, la autodigestión compensa la falta de nutrición. En estas circunstancias y con la finalidad de mantener funcionando un mínimo de orgánulos imprescindibles, la célula consume parte de sus IES Alfonso II 81 BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas propios orgánulos aunque estén en buen uso. Puede ocurrir esto en períodos de hambruna, anorexia, desnutrición, huelga de hambre, etc. La célula, en su afán por seguir viviendo, empieza a eliminar parte de sus propios orgánulos. Si le llegan nutrientes a tiempo, puede recuperarse y volver a construir todo el material autodigerido, pero si la situación de falta de nutrientes se prolonga durante mucho tiempo, alcanza un punto de no retorno y se muere o queda con lesiones irrecuperables. 4.3.2. DIGESTIÓN EXTRACELULAR En este caso, los lisosomas primarios vierten su contenido al exterior de la célula por exocitosis y digieren el medio extracelular. Las moléculas asimilables que se producen son absorbidas a través de la membrana plasmática. Este proceso es el habitual en las células gástricas e intestinales y en la nutrición de los hongos. También es utilizado por los tejidos óseo y cartilaginoso para su remodelación y crecimiento. 4.3.3. ALMACENAMIENTO DE SUSTANCIAS DE RESERVA Cuando la célula está parcialmente deshidratada pueden almacenarse temporalmente en el interior de los lisosomas materiales nutritivos, ya que en estas condiciones de deshidratación, las hidrolasas son inactivas y pueden estar en contacto con sus sustratos sin hidrolizarlos. Este proceso es muy utilizado para almacenar nutrientes en los lisosomas de las semillas, de esporas y otras células o estructuras deshidratadas. Por ejemplo, los llamados granos de aleurona de las semillas vegetales son lisosomas-almacén de proteínas; cuando la semilla se hidrata, en el momento de la germinación, se activan los enzimas hidrolíticos y digieren su contenido, proporcionando al embrión los nutrientes que necesita para desarrollarse. 4.3.4. LISOSOMAS Y PATOLOGÍAS Ciertos procesos patológicos están relacionados con la fisiología de los lisosomas; estos procesos reciben el nombre general de enfermedades por acumulación, ya que son debidas a la acumulación de sustancias de desecho o imposibles de digerir. Cuando una determinada sustancia indigerible, además está cristalizada, puede romper la membrana de los lisosomas, y éstos vacían su contenido en el hialoplasma provocando la destrucción de la célula o autolisis. Ejemplos: - La acumulación, en ciertos tejidos, de lisosomas no funcionales en cuyo interior sólo hay material de desecho, da lugar a la formación de unos cuerpos residuales de color pardo llamados lipofucsinas que, por ejemplo en la piel, producen las típicas manchas oscuras que aparecen con la edad en las manos y la cara. En otros tejidos, por ejemplo el nervioso, provocan una disminución de su actividad. - Otros procesos patológicos relacionados con los lisosomas son las vacuolas autofágicas que, por falta de alimentos o por intoxicaciones graves, destruyen partes de la célula, como ocurre en los casos de anorexia o de ingestión de drogas u otras sustancias tóxicas. - Dos enfermedades muy relacionadas con los lisosomas y relativamente frecuentes son la silicosis y la gota: En la primera, las partículas de sílice respiradas por las personas que trabajan en ambientes con mucho polvo de rocas (mineros por ejemplo), son fagocitadas por los macrófagos y al no poder ser digeridas (son cristales) por los lisosomas, pinchan y rompen la membrana lisosomal; como consecuencia, primero la célula y a continuación el tejido pulmonar son destruidos irreversiblemente y sustituidos por tejidos no funcionales para el intercambio gaseoso. En la segunda, el proceso es el mismo pero, en lugar de ser cristales de sílice los que rompen el lisosoma, son cristales de ácido úrico que se forman por saturación debida a una mala eliminación del mismo. Este proceso suele comenzar en las zonas donde la circulación sanguínea es más lenta o la presión sanguínea más baja, por ejemplo el dedo gordo del pie. 82 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas 4.4. BIOGÉNESIS. Los lisosomas primarios se forman en el aparato de Golgi, son vesículas de secreción de este orgánulo. También pueden formarse a partir del REL en determinados casos. Los lisosomas secundarios se forman por fusión de los primarios con vesículas endocitóticas o autofágicas. 5. PEROXISOMAS Y GLIOXISOMAS 5.1. PEROXISOMAS Son orgánulos muy parecidos a los lisosomas, que están presentes en todas las células eucariotas. También son vesículas esféricas limitadas por una membrana; se forman por gemación del REL (y muy pocas veces a partir del aparato de Golgi). Se diferencian de los lisosomas en que no contienen hidrolasas ácidas sino enzimas de la clase oxidorreductasas. Los enzimas más abundantes son: - La peroxidasa (u oxidasa): oxida sustratos quitándoles hidrógenos que cede al oxígeno atmosférico, el cual se reduce a peróxido de hidrógeno (agua oxigenada: H2O2). R-H2 + O2 R + H2O2 (R representa un sustrato) - La catalasa: descompone el H2O2 obtenido (agente oxidante muy tóxico) utilizando otros sustratos o el propio H2O2 que se transforma en H2O y O2. X-H2 + H2O2 X + 2 H2O (X representa un sustrato) H2O2 + H2O2 O2+ 2 H2O 5.2. GLIOXISOMAS Son un tipo especial de peroxisomas que, en las semillas en germinación, trasforman los ácidos grasos que forman parte del material de reserva, en azúcares que el embrión consume durante su desarrollo. Las células animales carecen de glioxisomas y de esta vía metabólica. 5.3. FISIOLOGÍA La fisiología de los peroxisomas y la de los glioxisomas, puede compararse con la que se realiza en las mitocondrias; en los tres casos se trata de procesos oxidativos. En los glioxisomas se degradan por oxidación ácidos grasos; en los peroxisomas sustancias tóxicas como el etanol, el ácido fórmico, etc. En ambos casos se siguen vías metabólicas que recuerdan a las que se realizan en las mitocondrias; pero mientras que en las mitocondrias la energía desprendida se acumula en forma de ATP, en los peroxisomas y glioxisomas no puede hacerlo y se desprende en forma de calor. 6. VACUOLAS O TONOPLASTOS 6.1. ESTRUCTURA Son estructuras celulares variables en forma y número. Puede decirse que una vacuola o tonoplasto es una vesícula, más o menos grande, rodeada de una membrana; su contenido interno, aunque puede ser muy diverso, con mucha frecuencia consiste en sustancias nutritivas, de reserva o de desecho. Las vacuolas se originan por la agregación de pequeñas vesículas formadas a partir del RE o de los dictiosomas del aparato de Golgi. Hay algunas diferencias entre las vacuolas de las células animales y las de las células vegetales: Lo más frecuente es que las células vegetales presenten una única o unas pocas vacuolas de gran tamaño, mientras las células animales tienen numerosas vacuolas de pequeño tamaño. Vacuolas en células vegetales IES Alfonso II 83 BIOLOGÍA Célula: sistemas de membranas 6.2. FISIOLOGÍA La mayor parte de las vacuolas tienen función de almacenamiento de sustancias de reserva, de productos de desecho, a veces tóxicos, como la nicotina o el opio, o de pigmentos, como los que dan color a los pétalos de las flores. En las células vegetales es muy importante la labor de las vacuolas como reguladoras de la tonicidad o turgencia; (por este motivo al conjunto de vacuolas de una célula vegetal se le conoce como tonoplasma): Además de regular los fenómenos osmóticos, las vacuolas intervienen en la circulación de nutrientes y productos del metabolismo en general, tomando agua del hialoplasma o cediéndosela, ya que en los tejidos vegetales este trabajo se hace por diferencias de concentración entre células vecinas. También contribuyen al crecimiento de las células vegetales, pues el aumento de tamaño se debe, en gran parte, a la acumulación de agua en sus vacuolas. Otras vacuolas realizan funciones muy específicas, por ejemplo en protozoos como el Paramecio se pueden encontrar: - Vacuolas pulsátiles: eliminan el exceso de agua que, por ósmosis, entra masivamente en estas células cuyo hialoplasma es muy hipertónico respecto al medio en el que viven (se trata de organismos unicelulares de agua dulce, es decir de organismos que viven en medios hipotónicos). Las vacuolas pulsátiles extraen agua del hialoplasma y la expulsan al exterior por exocitosis; de esta manera mantienen constante la concentración y evitan la lisis de la célula. - Vacuolas digestivas: estos protozoos se alimentan capturando nutrientes del medio por alguno de los procesos endocitóticos ya estudiados. Las vacuolas digestivas son, en la práctica, como lisosomas secundarios fijos, que están siempre en el mismo sitio haciendo las veces de un pequeño estómago que endocita, digiere con ayuda de los lisosomas y por último exocita los productos de desecho. 7. INCLUSIONES Aunque no son formaciones membranosas, se estudian aquí por ser acumulaciones de sustancias. Se llaman inclusiones o inclusiones sólidas, a aquellas sustancias sólidas o edificios macromoleculares que, sin estar rodeados de membrana alguna, se encuentran en el hialoplasma o en el interior de algunos orgánulos como son las mitocondrias o los plastos. Por ejemplo cristales de oxalato, ácido úrico, almidón, complejos multienzimáticos, etc. EJERCICIO: ¿Qué estructuras celulares reconoces en estas microfotografías? 84 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma TEMA 9: ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA DE LA CÉLULA EUCARIOTA: EL HIALOPLASMA Estructura del hialoplasma. Composición química. Fisiología: función de reserva; encrucijada de vías metabólicas; glucolisis; fermentaciones; otras vías metabólicas. Significado de las diversas vías metabólicas de la glucosa-6-P. El citoesqueleto: microfilamentos; microtúbulos; centriolos; cilios y flagelos; biogénesis; fisiología. 1.- EL HIALOPLASMA: ESTRUCTURA El hialoplasma, también llamado citosol, es el componente fundamental de la célula que soporta a todos los orgánulos citoplasmáticos. Al observar el hialoplasma con el microscopio óptico no se aprecia estructura alguna; su aspecto es totalmente homogéneo y granulado. Pero si se observa con los más potentes microscopios electrónicos se puede ver que presenta una intrincada red de microfibrillas y microtúbulos que lo surcan en todas las direcciones y que recibe el nombre de retículo microtrabecular (R.M.T.) o citoesqueleto. Estos microtúbulos y fibrillas forman el “esqueleto” de la célula, sujetan a los orgánulos y los desplazan por el citoplasma. El resto del hialoplasma es agua con todo tipo de moléculas disueltas o en suspensión coloidal. Algunas de estas moléculas están agrupadas formando grandes edificios moleculares que pueden verse al microscopio mientras que otras pueden pasar desde una situación de total dispersión hasta otra de polimerización que permite la transformación del hialoplasma de sol a gel. Estas transformaciones de sol a gel y viceversa, que son típicas de los coloides, explican muchas de las actividades de la célula. El R.M.T. también suele llamarse citoesqueleto, sin embargo no es una estructura totalmente rígida; se trata más bien de una especie de armazón interno de la célula que se monta y se desmonta rápidamente, cambia de posición, de forma, provoca modificaciones de la forma externa de la célula, desplaza y sujeta los orgánulos citoplasmáticos, etc. Por ejemplo, cuando una célula animal va a entrar en mitosis lo primero que se observa es la pérdida de su forma habitual: la célula se redondea y tiende a la esfericidad; esto ocurre porque se despolimeriza el citoesqueleto desapareciendo como armazón interno de la célula para dejar todas sus proteínas-monómero constituyentes libres para organizar con ellas el huso acromático. 2. COMPOSICIÓN QUÍMICA El hialoplasma es muy rico en agua (en torno a un 85%); a continuación el componente más abundante son las proteínas; también contiene ARN (ARNm y ARNt), materiales de construcción (aminoácidos, nucleósidos, nucleótidos, monosacáridos), gotitas lipídicas, polisacáridos, compuestos intermedios del metabolismo (metabolitos intermediarios) y distintos tipos de iones. Las microfibrillas y los microtúbulos del RMT son siempre de naturaleza proteica: proteínas que se polimerizan uniéndose unas a otras para formar las estructuras filamentosas y tubulares que desaparecen en el momento en que se despolimerizan. La mayoría de estas proteínas son contráctiles, de tal manera que, como están unidas a los orgánulos citoplasmáticos y a la membrana plasmática, pueden desplazar a esos orgánulos por todo el citoplasma y deformar la membrana para desarrollar pseudópodos, vesículas endocitóticas, etc. 3. FISIOLOGÍA Sin tener en cuenta las funciones realizadas por el citoesqueleto, que se estudian más adelante, se puede resumir la fisiología del hialoplasma en las dos funciones siguientes: 3.1. Función de reserva: En el hialoplasma se almacenan muchas moléculas que van a ser utilizadas en las vías metabólicas del propio hialoplasma o de los diversos orgánulos citoplasmáticos: - Se almacenan, por ejemplo, la mayoría de los materiales energéticos de las células, los llamados combustibles (grasas, glucógeno, almidón, etc); estas moléculas tienen que ser bastante insolubles en agua para evitar problemas de ósmosis. - También se almacenan los materiales de construcción, es decir, las moléculas necesarias para fabricar otras moléculas mayores o más complejas. Se sintetizan en el hialoplasma casi todas las hexosas, las pentosas, todos los ácidos grasos hasta el nivel del ácido palmítico (16C), aminoácidos, nucleótidos, etc. 3.2. Encrucijada de vías metabólicas: La sustancia fundamental del hialoplasma es el medio donde se realizan gran cantidad de reacciones químicas del metabolismo, tanto catabólicas o de degradación (glucolisis) como anabólicas o de síntesis (biosíntesis de ácidos grasos, azúcares, aminoácidos, nucleótidos). En estas reacciones se producen ciertas moléculas que son básicas para iniciar otras vías metabólicas: son los metabolitos intermediarios. Muchas de las proteínas del hialoplasma son los enzimas que controlan estas reacciones o vías metabólicas. IES Alfonso II 85 BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma Por ello se puede decir que el hialoplasma es la encrucijada básica de todo el metabolismo celular. Los metabolitos intermediarios que se producen en el hialoplasma pueden dirigirse a distintas vías metabólicas, según las necesidades de la célula. Un ejemplo básico es el de la glucosa-6-P que es una molécula clave en el metabolismo de los glúcidos y de los lípidos: puede dirigirse hacia la síntesis del glucógeno o del almidón, hacia la síntesis de las pentosas o hacia su propia degradación o glucolisis. Y puede formarse a partir del glucógeno o del almidón, a partir de la glucosa o a partir de las pentosas. 3.3. GLUCOLISIS También llamada ciclo de Embden-Meyerhorf (principales bioquímicos que, junto con otros, elaboraron el esquema global de esta vía), es posiblemente la vía metabólica para la obtención de energía más antigua en la escala evolutiva. Es una vía catabólica anaerobia y se realiza en el hialoplasma directamente, con enzimas que forman parte del propio hialoplasma. Se puede resumir en el siguiente esquema: partiendo de glucosa o de un polisacárido de reserva como puede ser el glucógeno, se llega a la glucosa-6-P que, tras una serie de transformaciones, da lugar a dos moléculas de ácido pirúvico. Durante este proceso la glucosa sufre una serie de cambios (oxidación) que la transforman en dos moléculas de ácido pirúvico, dos moléculas de NADH + H+(por reducción de dos de NAD+) y una cantidad de ATP que depende del origen de la glucosa: tres moléculas de ATP si la glucosa-6-P proviene del glucógeno, dos moléculas de ATP si proviene de una molécula sencilla de glucosa. Glucógeno Glucosa 3 ATP (si del glucógeno) 2 ác. Pirúvico + 2 NADH+H+ Glucosa 6 P +2NAD+ glucolisis + 2 ATP (si de la glucosa) Esquema global de la glucolisis. En la glucolisis se pueden distinguir dos etapas bien diferenciadas: 1) La primera etapa consiste en la activación de la glucosa y su degradación en dos moléculas de gliceraldehido-3P, utilizando la energía del ATP (una o dos moléculas). 2) En la segunda etapa, las dos moléculas de gliceraldehido-3P se transforman en dos moléculas de ácido pirúvico. En este proceso se libera energía que se utiliza para la síntesis de cuatro moléculas de ATP. Además dos moléculas del coenzima NAD+ pasan a su forma reducida (NADH + H+). El rendimiento energético de la glucolisis es bajo (2 o 3 moléculas de ATP), pero se trata de una degradación parcial ya que el ácido pirúvico, producto final de la glucolisis, continúa degradándose y puede hacerlo por varias vías; en todas ellas el NADH + H+ se va a oxidar pasando a su forma inicial (NAD+) para que pueda ser reutilizado. 86 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma Aquí tienes el proceso de la glucolisis completo, estúdialo razonando lo que ocurre en cada una de las reacciones. IES Alfonso II 87 BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma Reacciones de la glucolisis. 1.-Fosforilación de la -D-glucosa a -D-glucosa-6-fosfato. El grupo fosfato (P) es aportado por una molécula de ATP que pasa a ADP; esto supone un gasto de energía. La reacción es catalizada por una quinasa (hexoquinasa o glucoquinasa) que requiere la presencia de un catión divalente (Mg++). Cuando la glucosa procede de un polisacárido de reserva como el glucógeno, incorpora directamente una molécula de fosfato inorgánico pasando a -D-glucosa-1-P que se isomeriza a -D-glucosa-6-P. 2.-Isomerización de la -D-glucosa-6-fosfato a -D-fructosa-6-fosfato. La reacción es reversible y está catalizada por la fosfoglucoisomerasa o glucosa-fosfato-isomerasa que requiere la presencia de cationes divalentes. 3.-Fosforilación de la -D-fructosa-6-fosfato a -D-fructosa-1-6-difosfato. El grupo fosfato que se incorpora es aportado por una molécula de ATP que pasa a ADP; hay un gasto de energía. La reacción es catalizada por una quinasa (fosfo-fructo-quinasa) que, según parece, también requiere la presencia de cationes Mg++. Esta reacción es prácticamente irreversible, por lo que controla el proceso de la Glucolisis. 4.-Escisión de la -D-fructosa-1-6-difosfato en dos triosas-fosfato (gliceraldehido-3-fosfato y dihidroxiacetona-fosfato). La reacción es reversible y está catalizada por una aldolasa. 5.-Isomerización de las dos triosas-fosfato. El gliceraldehido-3-fosfato y la dihidroxiacetona-fosfato son isómeros y se transforman una en otra según las necesidades de la célula. La reacción de isomerización (interconversión) es rápida y reversible y está catalizada por la triosa-fosfato-isomerasa (enzima que cataliza hasta alcanzar el equilibrio). En las reacciones posteriores de la glucolisis sólo es degradado el gliceraldehido-3-P, por lo que el la dihidroxiacetona-P se isomeriza a gliceraldehido-3-P a medida que éste va desapareciendo. En la práctica puede decirse que a partir de una molécula de -D-glucosa se forman dos de gliceraldehido-3-P que se degradan siguiendo la misma ruta. Por tanto, partir del gliceraldehido-3-P todas las reacciones ocurren por duplicado (están encuadradas en el esquema). 6.-Oxidación del gliceraldehido-3-fosfato a ácido 1-3-difosfoglicérico. Es una reacción de gran importancia desde el punto de vista energético. El grupo aldehido se oxida a grupo carboxilo (captando O); pero en lugar de formarse el grupo ácido libre se forma un fosfato de elevado contenido energético por incorporación de una molécula de fosfato inorgánico. La reacción es reversible y está catalizada por el enzima gliceraldehido-3-fosfato-deshidrogenasa, cuyo coenzima, el NAD+ se reduce a NADH + H+ (captando 2H). (O y 2H provienen de la molécula de agua que se libera al unirse el fosfato). 7.-Fosforilación a nivel de sustrato, producida por transferencia del grupo fosfato del C1 del ácido 1-3difosfoglicérico al ADP formándose ácido 3-fosfoglicérico y ATP. La reacción es reversible y está catalizada por la fosfogliceratoquinasa. Mediante esta fosforilación, parte de la energía liberada en la oxidación del grupo aldehido a grupo carboxilo (reacción anterior) se conserva en forma de ATP. 8.- Isomerización del ácido 3-fosfoglicérico a ácido 2-fosfoglicérico. El grupo fosfato es transferido de la posición 3 a la posición 2 del ácido glicérico. La reacción es libremente reversible en la célula y está catalizada por una mutasa (fosfoglicerato-mutasa) que requiere la presencia de cationes Mg++. 9.-Deshidratación del ácido 2-fosfoglicérico a ácido fosfoenol-pirúvico. Se elimina una molécula de H2O y se forma un fosfato de alto contenido energético (el ácido fosfoenol-pirúvico). La reacción es reversible y está catalizada por el enzima enolasa que requiere la presencia de cationes divalentes (Mg++). 10.-Fosforilación a nivel de sustrato, producida por transferencia del grupo fosfato del ácido fosfoenolpirúvico al ADP formándose ácido pirúvico y ATP. La reacción es irreversible en la célula y está catalizada por la piruvato-quinasa, enzima regulador que requiere la presencia de cationes divalentes. Incorporación de la glicerina a la glucolisis La glicerina proviene de la degradación de grasas neutras y se incorpora a la vía de la glucolisis a través de la dihidroxiacetona-P: Sufre una deshidrogenación y una fosforilación que corren a cargo del NAD+ y del ATP respectivamente y se transforma en dihidroxiacetona-P, incorporándose a la glucolisis. Piensa: ¿Cuántos ATP se forman en el paso de glicerina a ácido pirúvico? 88 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma Por otra parte, cuando la glucolisis está saturada, el gliceraldehido-3P no se puede transformar en ácido pirúvico y tiene que transformarse en dihidroxiacetona-P, que a su vez, siguiendo la reacción inversa a la descrita, se transforma en glicerina. La glicerina así obtenida se esterifica con ácidos grasos y forma grasas neutras. Esta vía metabólica explica la posibilidad que tienen las células de formar grasas a partir de glúcidos cuando estos son ingeridos en exceso. Hay que recordar que las grasas son mucho más eficaces como reserva energética que los glúcidos porque ocupan menos espacio y no causan problemas de ósmosis. 3.4. Vías que puede seguir el ácido pirúvico: respiración y fermentación La glucolisis es una vía incompleta, pues el ácido pirúvico no es un producto final del metabolismo, sino que puede seguir vías metabólicas diferentes según el tipo de célula y sus necesidades: a) En las células eucariotas aerobias el ácido pirúvico entra en las mitocondrias y es catabolizado totalmente hasta dar lugar a CO2 y agua mediante la vía metabólica llamada respiración oxidativa. Durante este proceso se produce una gran cantidad de ATP. En algunas células procariotas, por ejemplo en las bacterias aerobias, también se realiza la respiración oxidativa. En este caso los enzimas encargados de catalizarla están situados en la membrana plasmática, en unos repliegues llamados mesosomas. (La respiración oxidativa se estudia en el tema de las mitocondrias). b) En las células anaerobias se completa la degradación del ácido pirúvico mediante las fermentaciones, que se realizan directamente en el hialoplasma celular. FERMENTACIONES En las células anaerobias (ej. las levaduras), el ácido pirúvico no se degrada más, simplemente es utilizado para regenerar las moléculas de NAD+ que se habían reducido durante la glucolisis. Las vías metabólicas encargadas de este proceso reciben el nombre de fermentaciones y se realizan en el hialoplasma como una continuidad de la glucolisis, incluso muchos autores incluyen las reacciones fermentativas dentro de los procesos de la glucolisis, ya que no puede haber fermentaciones si previamente no ha habido glucolisis. Durante las fermentaciones no se produce ATP, simplemente los NADH + H+ descargan sus hidrógenos y quedan otra vez convertidos en NAD+, dispuestos para realizar nuevas deshidrogenaciones. Las fermentaciones se nombran según el producto metabólico que se obtiene al final. Las más importantes son la fermentación láctica y la fermentación alcohólica. A) Fermentación láctica: Consiste en la reducción del ácido pirúvico a ácido láctico. La reacción está catalizada por el enzima lactato-deshidrogenasa, cuyo coenzima, el NADH + H+ se oxida a NAD+ , cediendo 2H que rompen el grupo cetónico del ácido pirúvico y lo transforman en ácido láctico. Realizan esta fermentación numerosas bacterias y algunos hongos, que transforman la leche en yogur, kéfir, cuajada... etc. También puede realizarse en las células musculares de los mamíferos (y de todos los vertebrados en general) cuando se ven obligados a realizar un esfuerzo al que no están acostumbrados y por lo tanto no disponen del suficiente O2 o de los suficientes enzimas para la vía de la respiración. En estas circunstancias el ácido láctico cristaliza y produce los típicos dolores llamados agujetas. La reacción es reversible y al cabo de cierto tiempo el ácido láctico se transforma en pirúvico, entra en las mitocondrias y se incorpora a la respiración oxidativa. (También es posible que el ácido láctico vuelva a transformarse de nuevo en glucosa). B) Fermentación alcohólica: La fermentación es realizada por muchas levaduras (hongos unicelulares) que fermentan los zumos azucarados de frutas o vegetales y dan como resultado bebidas alcohólicas, como el vino, la cerveza, la sidra...etc. Se completa en dos pasos sucesivos: -Descarboxilación del ácido pirúvico que se transforma en acetaldehido (etanal) desprendiéndose CO2. La reacción es irreversible y está catalizada por la piruvato-descarboxilasa que requiere la presencia de cationes divalentes (Mg++). -Reducción del acetaldehido a etanol (alcohol etílico). La reacción es reversible y está catalizada por el enzima alcohol-deshidrogenasa, cuyo coenzima, el NADH + H+ se oxida a NAD+ (cediendo 2H). IES Alfonso II 89 BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma Algunos microorganismos realizan otro tipo de fermentaciones que dan lugar a otros productos finales, como ácido butírico (fermentación butírica), ácido acético (fermentación acética: vino-vinagre), etc. 3.5. Otras vías metabólicas del hialoplasma Se trata de vías metabólicas que se realizan en el hialoplasma, sin necesidad de orgánulos especializados: - Vía de las pentosas (o del fosfogluconato) Esta vía también parte de la glucosa-6-P que después de dos deshidrogenaciones y una descarboxilación da lugar a azúcares de cinco átomos de carbono, como la xilulosa-5-P y la ribosa-5-P. Estas moléculas son el punto de partida para la formación de otros azúcares de 3, 4 y 7 átomos de carbono. Como todas estas reacciones son reversibles, para llegar a la ribosa-5-P, hay dos vías: una vía oxidativa en la que se forman NADPH y CO2 y una vía no oxidativa que pasa por la fructosa-6-P. El interés de esta vía metabólica radica básicamente en que: - Produce una gran cantidad de NADPH + H+ , que es un agente reductor básico en otras vías metabólicas como la síntesis de ácidos grasos y por lo tanto, de las grasas en general. - Da lugar a pentosas como la ribosa 5P, imprescindible para la formación de nucleótidos y de otros monosacáridos. - Síntesis del glucógeno También el punto de partida es la glucosa-6-P que, consumiendo ATP, se polimeriza alargando las cadenas de glucógeno preexistentes. El glucógeno, por tanto, no puede sintetizarse desde cero, es necesaria una moléculacebador inicial por pequeña que ésta sea. 4. SIGNIFICADO DE LAS DIVERSAS VÍAS METABÓLICAS DE LA GLUCOSA-6-P Desde el punto de vista funcional las vías metabólicas estudiadas tienen significados distintos: - La glucolisis produce ATP, indispensable para casi todas las vías anabólicas o de síntesis. - Las fermentaciones pueden considerarse como complementarias de la glucolisis ya que su finalidad es la de regenerar el NAD+ consumido en las situaciones de anaerobismo. - La vía de las pentosas produce NADPH + H+ y algunas moléculas indispensables como punto de partida para otras síntesis (ácidos grasos, nucleótidos, etc.). - La vía de la síntesis del glucógeno (glucogenogénesis) significa la posibilidad de almacenar glucosa en forma de polímero para evitar problemas de ósmosis. Es por lo tanto una vía de reserva de combustible. Por ello, estas vías de degradación de la glucosa coexisten en el hialoplasma y su importancia relativa en las diferentes células es variable: en las células musculares la glucolisis es, en la práctica, la única vía de degradación de la glucosa-6-P, mientras que en las glándulas mamarias, donde es necesario sintetizar muchos lípidos, se utiliza principalmente la vía de las pentosas. 5. EL CITOESQUELETO Está formado por una compleja red de filamentos proteicos, que se extienden por el citoplasma y se anclan en la membrana. Algunos constituyen un esqueleto endocelular (dan forma a la célula), otros son los responsables de movimientos, tanto intra como extracelulares, tales como la contracción de las fibras musculares o las corrientes citoplasmáticas que existen en muchas células animales y vegetales. Dichos filamentos pueden ser de dos tipos: microfilamentos y microtúbulos (que están constituidos por microfilamentos). 90 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma 5.1. MICROFILAMENTOS: CONTRACCIÓN MUSCULAR Y MOTILIDAD CELULAR El citoplasma de las células eucariotas incluye numerosos microfilamentos, de diámetro comprendido entre 30 y 100 Å, dependiendo de la naturaleza de las proteínas que los componen. Hay diversos tipos: - Entre los que forman el armazón intracelular en células animales, los más comunes son los tonofilamentos, (con 50 a 80 Å de diámetro). Son filamentos que con frecuencia convergen hacia los desmosomas (zonas de unión entre células vecinas) y que están formados por proteínas como las queratinas u otras proteínas filamentosas de estructura parecida. - En las células nerviosas hay neurofilamentos, de diámetro entre 40 y 100 Å, según las especies, que se disponen paralelos al eje del axón. - El citoplasma de las fibras musculares estriadas está, en gran parte, formado por haces de miofibrillas, que tienen un diámetro de 1 a 2 micras, dispuestas paralelamente al eje principal de la célula. Estas miofibrillas están formadas por miofilamentos, que están constituidos por cuatro tipos de proteínas contráctiles: miosina, actina, tropomiosina y troponina. Los miofilamentos pueden ser de dos tipos: filamentos densos (100 Å de diámetro) y filamentos finos (50 Å de diámetro). Los microfilamentos están relacionados con los movimientos de la célula o motilidad celular, que se traduce en distintos tipos de movimientos: corrientes citoplasmáticas, deformaciones de la superficie celular, movimientos o desplazamientos de la célula por el medio en que vive (por medio de pseudópodos, cilios o flagelos), etc. La contracción muscular no es más que un aspecto especializado de la motilidad celular. - Las corrientes citoplasmáticas hacen, por ejemplo, girar todo el citoplasma de una célula vegetal alrededor de su vacuola central (corrientes de ciclosis) o provocan el vaivén del hialoplasma y de los orgánulos que contiene, de una región a otra de la célula. - La membrana plasmática y la superficie celular pueden deformarse produciendo; bien evaginaciones diversas como son pliegues, ampollas, expansiones filiformes, etc; o bien invaginaciones que pueden dar lugar a las vesículas endocitóticas. - Algunas células pueden desplazarse sobre un soporte emitiendo expansiones citoplasmáticas llamadas pseudópodos. Este tipo de locomoción unicelular fue descubierto en las amebas y se conoce con el nombre de movimiento ameboideo. - Los cilios y flagelos están provistos de movimientos pendulares u ondulantes y están formados por microtúbulos que, a su vez, están constituidos por microfilamentos. 5.2. MICROTÚBULOS Son formaciones cilíndricas huecas de unos 250 Å de diámetro y cuya pared tiene unos 50 Å de espesor. Su longitud es muy variable (desde décimas de micras a muchas micras); generalmente son rectilíneos o tienen un radio de curvatura tan grande, que se comportan como si fuesen rectos; y nunca están ramificados. Sus paredes están formadas por filamentos construidos a base de una proteína globular, la tubulina; hay dos tipos de tubulina, y , cuyas moléculas se alternan para constituir dichos filamentos. Son exclusivos de las células eucariotas y se pueden clasificar en dos grandes categorías según cómo se comporten durante el proceso químico de fijación para su observación al M.E.: - Microtúbulos lábiles, difíciles de fijar: sólo pueden fijarse con preparados aldehídicos y a una temperatura superior a los 4ºC. - Microtúbulos estables, fáciles de fijar: se conservan bien, sea cual sea la naturaleza química del fijador o la temperatura (Os4O, MnO4K, aldehidos y otros). Los microtúbulos lábiles forman estructuras temporales y pueden presentarse: - Paralelos entre sí, por ejemplo en la zona más externa del citoplasma (citoplasma cortical) o en el eje de las prolongaciones celulares como los axones de las neuronas. - Dispuestos de forma radial alrededor de los centriolos formando el áster. - Formando parte del huso acromático o aparato mitótico durante la división celular. Los microtúbulos estables, en general, están asociados a estructuras complejas y estables como son: - Los centriolos. - Los cilios. - Los flagelos. IES Alfonso II 91 BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma 5.2.1. LOS CENTRIOLOS Y EL CENTROSOMA El centrosoma, citocentro o centro celular es exclusivo de células animales. Está formado por dos estructuras cilíndricas llamadas centriolos que se disponen perpendicularmente y están constituidos por microtúbulos estables; el conjunto de los dos centriolos se denomina diplosoma. Alrededor se encuentra el material pericentriolar, que es el centro organizador de microtúbulos. En él las moléculas de tubulina se polimerizan para formar los microtúbulos y éstos toman una disposición radial que recibe el nombre de áster. Durante la división celular las fibras de áster dan origen a los microtúbulos del huso acromático. En un corte transversal de uno de los centriolos, se observa que está constituido por 27 microtúbulos organizados en nueve grupos de tres microtúbulos cada uno, es decir, en nueve tripletes de microtúbulos. Estos tripletes se disponen imbricadamente, es decir, cada uno está oblicuo respecto del anterior y del siguiente. Si se observa con detalle uno de estos tripletes, puede verse que los microtúbulos que lo forman no son todos iguales: el más cercano al centro del cilindro, tiene sección circular mientras que los otros dos tienen sección semilunar debido a que para construir su pared han aprovechado parte del material del microtúbulo vecino. El microtúbulo circular se denomina microtúbulo A, el que está en el centro del triplete microtúbulo B y el más exterior microtúbulo C. Los nueve tripletes que forman el centriolo se mantienen unidos mediante unas finas láminas o puentes de naturaleza proteica, que van desde el microtúbulo A de un triplete hasta el microtúbulo C del triplete siguiente. 5.2.2. CILIOS Y FLAGELOS Son prolongaciones citoplasmáticas con funciones de movilidad o de sensibilidad. Se encuentran exclusivamente en células eucarióticas animales. En las bacterias y cianobacterias (procariotas) también hay flagelos en algunas especies, pero estructuralmente son completamente diferentes a los de las células eucariotas. Las diferencias entre un cilio y un flagelo apenas existen, en la práctica son estructuralmente iguales; simplemente son mucho más cortos y más abundantes los cilios que los flagelos. Los cilios (0,2 micras de diámetro y 2 a 10 micras de longitud) suelen cubrir toda la superficie de la célula que comunica con un determinado medio (por ejemplo los paramecios, epitelio de la tráquea, etc). Los flagelos (mismo diámetro y hasta 200 micras de longitud) suelen presentarse en número de uno a tres por cada célula (por ejemplo, uno en el espermatozoide). 92 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma Estructura de un cilio (o flagelo): Estudiando su estructura (ver figura) se pueden diferenciar dos zonas: la que sobresale del cuerpo celular, llamada axonema o tallo, y la que permanece insertada en el citoplasma que recibe el nombre de corpúsculo basal o cinetosoma. Entre el axonema y el cuerpo basal hay una zona de transición (placa basal). El cinetosoma es un centriolo ligeramente modificado; para mantener su cohesión presenta un eje tubular central del que parten 9 láminas radiales que lo unen a los tripletes periféricos. El axonema posee en su interior una estructura formada por un haz de microtúbulos, orientados según su eje principal; claramente deriva del corpúsculo basal, pero con importantes modificaciones: desaparecen los microtúbulos C, aparecen unos pequeños brazos en el microtúbulo A y, en el centro del axonema, se sitúan otros dos microtúbulos que están rodeados de una vaina, la cual a su vez está unida a los microtúbulos A. En conjunto, el axonema está formado por 20 microtúbulos: nueve dobletes periféricos y dos microtúbulos centrales (disposición 9+2), que se mantienen unidos por fibras proteicas (entre los dobletes) y láminas radiales entre la vaina y los microtúbulos A). 5.2.3. BIOGÉNESIS DE LOS MICROTÚBULOS, LOS TRIPLETES Y LOS CENTRIOLOS Los microtúbulos se forman por la polimerización de proteínas globulares, las tubulinas, que pueden ser de dos tipos: y . Las tubulinas apenas se diferencian a lo largo de la escala evolutiva: son prácticamente las mismas en el paramecio y en el ser humano. Están dispersas por el hialoplasma y cuando se polimerizan dan lugar a las fibrillas del R.M.T. que mediante condensaciones posteriores forman los microtúbulos. Para formarse los microtúbulos en primer lugar se forman dímeros de tubulinas y , posteriormente estos dímeros se polimerizan de nuevo formando los protofilamentos y, en un tercer paso, trece protofilamentos se asocian en círculo formando un microtúbulo. Para formar un triplete el microtúbulo B utiliza tres protofilamentos del A y el microtúbulo C utiliza tres protofilamentos del B; esto explica las secciones semilunares de los microtúbulos B y C. En total un triplete consta de 33 protofilamentos. La formación de los centriolos es un proceso mucho más complicado que necesita del montaje previo de un andamio sobre el que se van a ir situando los microtúbulos tal y como se observa en la figura de la página siguiente: IES Alfonso II 93 BIOLOGÍA Célula: el hialoplasma Los lugares donde se desencadenan todos los procesos de polimerización y formación de microtúbulos reciben el nombre de centros organizadores de microtúbulos (C.O.M.) y están íntimamente relacionados con el R.M.T.. El cinetosoma y el centrosoma son centros organizadores de los microtúbulos. Un centriolo nunca se puede formar "de novo" (desde cero), sino que es necesaria la presencia de un centriolo anterior que estimula o dirige la polimerización del nuevo centriolo perpendicularmente a él. 5.2.4. FISIOLOGÍA DE LOS MICROTÚBULOS Los microtúbulos están relacionados con la motilidad y la sensibilidad celulares: a) Los centriolos funcionan como Centros Organizadores de Microtúbulos (C.O.M.) Por ejemplo, organizan la polimerización de las proteínas constituyentes de los microtúbulos del huso acromático durante la mitosis de las células animales. Durante la interfase los centriolos se duplican y al comienzo de la mitosis se separan las dos parejas resultantes e inician la formación del huso acromático. El huso acromático también está relacionado con la motilidad, ya que controla el desplazamiento de las cromátidas durante la división celular. (Las células vegetales no tienen centriolos; en ellas los microtúbulos del huso acromático parten de una región difusa que carece de centríolos). b) Los cilios y flagelos: - Son utilizados por muchas células que viven independientes para su desplazamiento en un medio acuoso. - Son utilizados por células que viven fijas para mover o facilitar el movimiento del medio en que viven. Por ejemplo, los cilios del epitelio que tapiza las vías respiratorias las mantienen libres de mucosidades, partículas de polvo, etc. - Están relacionados con la sensibilidad, por ejemplo son los responsables de recibir casi todos los estímulos que pueden ser captados por nuestros órganos de los sentidos: papilas gustativas de la lengua, órgano de Corti de la audición, canales semicirculares del equilibrio y mucosa olfativa de las fosas nasales. Estos cilios a veces analizan químicamente el medio (gusto y olfato por ejemplo), o responden a presiones, golpes o desplazamientos laterales (oído y sentido del equilibrio). Las células que los poseen traducen esos estímulos a impulsos nerviosos que son enviados al encéfalo por neuronas sensitivas. c) Los microtúbulos que forman el citoesqueleto o armazón interno de la célula provocan las deformaciones de la membrana plasmática, las corrientes citoplasmáticas de ciclosis, la emisión de pseudópodos, el desplazamiento "personalizado" de algunos orgánulos, etc. También mantienen la forma de la célula (dan rigidez a la célula, ya que son el componente más abundante del citoesqueleto) y sirven de canales para el transporte intracelular. 94 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias TEMA 10: ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA CELULAR. LAS MITOCONDRIAS Introducción. Estructura. Composición química. Fisiología: Oxidaciones respiratorias. Formación de precursores de otras vías metabólicas. Síntesis de proteínas. Intercambios matriz - hialoplasma. Biogénesis. 1. INTRODUCCIÓN Las mitocondrias son orgánulos situados en el citoplasma de todas las células eucariotas aerobias. Su número depende del tamaño y la actividad de la célula (a mayor actividad energética mayor número de mitocondrias.); suele ser elevado, hasta 1000 o 2000 por célula; por ello ocupan una parte importante del citoplasma. Al conjunto formado por todas las mitocondrias de una célula se le denomina condrioma. La forma de las mitocondrias suele ser la de un cilindro alargado de 0,5 a 1 micras de diámetro por 1 a varias micras de longitud. Pero puede variar, ya que se deforman por las corrientes citoplasmáticas, pueden aumentar o disminuir su volumen y su forma, se pueden fusionar y dividir en glóbulos más o menos esféricos. En algunas especies (protozoos por ejemplo), tienen formas tubulares e incluso están ramificadas. 2. ESTRUCTURA Observando cortes finos al microscopio electrónico se pueden apreciar en su ultraestructura interna: A) Una doble membrana: - La membrana mitocondrial externa, que separa la mitocondria del hialoplasma, es continua y lisa y tiene un espesor de unos 60 Å. - La membrana mitocondrial interna, también continua y de 60 Å de espesor, que presenta unos repliegues orientados hacia el interior de la mitocondria llamados crestas mitocondriales. B) Dos compartimentos limitados por estas membranas: - El espacio intermembrana (o espacio intermembranoso), situado entre ambas membranas, con un espesor aproximado de unos 100 Å. - La matriz mitocondrial, espacio interno limitado por la membrana mitocondrial interna. Las membranas presentan todas las características estructurales de otras membranas celulares (membrana unitaria o unidad de membrana). Sobre la cara matricial de la membrana mitocondrial interna se encuentran unas esferas de unos 90 Å de diámetro unidas a la membrana por un pedúnculo cilíndrico; es el complejo enzimático de la ATP-asa. La matriz tiene una estructura finamente granular, con algunas granulaciones más grandes y densas llamadas inclusiones sólidas o gránulos densos; también contiene ADN y ribosomas 70S o mitorribosomas, que se encuentran libres o adosados a la membrana mitocondrial interna. 3. COMPOSICIÓN QUÍMICA 3.1. DE LAS MEMBRANAS Ambas membranas son muy diferentes en cuanto a su composición química, las dos están formadas por lípidos y proteínas pero son lípidos y proteínas diferentes y se encuentran en diferentes porcentajes. La membrana mitocondrial externa: 40% de lípidos y 60% de proteínas; se asemeja a las membranas del Retículo endoplasmático. Sus lípidos son fosfolípidos con ácidos grasos muy insaturados. Entre sus proteínas destacan: - Proteínas que forman grandes canales acuosos (porinas); por ello es muy permeable, al contrario que la membrana interna. - Enzimas que intervienen en el metabolismo de los lípidos, como por ejemplo, la Acil-SCoA-sintetasa que introduce los ácidos grasos desde el hialoplasma hacia el espacio intermembrana, utilizando la energía del ATP (que pasa a AMP). IES Alfonso II 95 BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias La membrana mitocondrial interna: 20% de lípidos y 80% de proteínas; es la membrana más rica en proteínas de todas las membranas celulares. Entre sus lípidos no se encuentra el colesterol; sin embargo presenta un fosfolípido, la cardiolipina (ver fórmula al margen) que la hace impermeable a las partículas con carga. (También aparecen cardiolípidos en las bacterias y en los cloroplastos). Las proteínas son unas 60, formadas por unas 24 cadenas polipeptídicas diferentes, y se pueden clasificar en tres grupos: a) Las que pertenecen a la cadena respiratoria (que transporta electrones hasta el oxígeno molecular) y todos sus enzimas asociados, como son la NADHdeshidrogenasa, la Ubiquinona, las asociadas a los distintos citocromos, etc. b) Las que forman el complejo enzimático de la ATP-asa (que cataliza la síntesis del ATP). Se trata de un complejo de unas 15 proteínas; en él se distinguen tres partes (ver figura al margen): - Una esfera de unos 90Å de diámetro o factor F1, que es la parte catalítica del complejo (se trata de las esferas descritas anteriormente en la cara de la membrana que da a la matriz mitocondrial). - Un pedúnculo o factor F0. - Una parte hidrófoba que está integrada en la membrana. En este complejo enzimático, según la teoría quimiosmótica, los protones (H+), que son bombeados desde la matriz al espacio intermembrana durante la cadena respiratoria, regresan a la matriz; este regreso de H+ está acoplado a las reacciones de fosforilación que producen el ATP en la mitocondria. c) Las proteínas transportadoras específicas, que transportan activa o pasivamente ciertas sustancias específicas: ADP-ATP (un ADP entra al mismo tiempo que sale un ATP), H2PO4-- OH-, la carnitina que transporta pasivamente los acil-SCoA desde el espacio intermembrana hasta la matriz, transportadores de ácidos di y tricarboxílicos, de aminoácidos, etc. 3.2. DEL ESPACIO INTERMEMBRANA Es de composición muy similar al del hialoplasma, debido a la gran permeabilidad de la membrana mitocondrial externa, mientras que la interna es muy poco permeable. Puede destacarse el enzima adenilquinasa que permite recuperar el AMP producido por acción de la acil-SCoA-sintetasa; de este modo se transfiere la energía del ATP sintetizado en la membrana mitocondrial interna al AMP. 3.3. DE LA MATRIZ La matriz mitocondrial es el compartimento de mayor importancia, junto con la membrana mitocondrial interna que le rodea. Su contenido incluye: - Moléculas de ADN (el ADN mitocondrial) que contiene información para sintetizar gran parte de las proteínas mitocondriales; se trata de varias copias de una molécula de ADN2C circular (como en bacterias y cloroplastos). - Ribosomas (los mitorribosomas) que se encuentran libres o adosados a la membrana mitocondrial interna. - Enzimas y otras proteínas: la matriz mitocondrial es la parte de la célula más rica en proteínas; entre ellas se encuentran numerosos enzimas, que pueden clasificarse en dos grupos: 1) Los que intervienen en la replicación, transcripción y traducción del ADN mitocondrial. 2) Los que intervienen en la oxidación de moléculas procedentes del hialoplasma, como son los que catalizan el ciclo de Krebs, la -oxidación de los ácidos grasos, la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, etc. - Los gránulos densos que se ven al M.E.: algunos son complejos multienzimáticos (250 a 500 Å), otros son condensaciones de ácidos grasos, proteínas, etc. - Diversas moléculas en solución: iones calcio, fosfato, nucleótidos (ADP, ATP), etc. 96 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias 4. FISIOLOGÍA Los compartimentos mitocondriales, espacio intermembrana y matriz, así como las membranas mitocondriales tienen complejos enzimáticos y composición química diferente. Esto trae como consecuencia que las actividades fisiológicas que en ellas se realizan también sean diferentes. Sin embargo todas estas actividades fisiológicas están relacionadas y se realizan de una manera coordinada y casi siempre autorregulada. Las funciones de las mitocondrias se pueden clasificar en cuatro grupos: - Las oxidaciones respiratorias (formación del Acetil-SCoA y respiración celular). - La formación de precursores de otras vías metabólicas. - La síntesis de proteínas mitocondriales. - Los intercambios de iones y moléculas con el hialoplasma. 4.1. OXIDACIONES RESPIRATORIAS En las mitocondrias se oxida ácido acético (grupos acetil) y la energía desprendida es utilizada, en reacciones acopladas, para fosforilar ADP transformándolo en ATP. Se pueden considerar tres etapas sucesivas: 1. Formación del Acetil-SCoA. 2. Oxidación del Acetil-SCoA (ciclo de Krebs): el grupo acetil del Acetil-SCoA se degrada a CO2 y átomos de H (H+ + e-) que son aceptados por coenzimas transportadores de H. 3. Fosforilación oxidativa (cadena respiratoria): Etapa durante la cual todos los electrones de los hidrógenos extraídos durante los procesos anteriores son conducidos por una serie de proteínas transportadoras de electrones hasta el O2 atmosférico que se reduce formando agua. Con la energía desprendida en este proceso se fosforila el ADP en ATP. Las dos últimas, el ciclo de KREBS y la cadena respiratoria, constituyen la respiración celular, vía del catabolismo aerobio. 4.1.1. LA FORMACIÓN DEL ACETIL-SCOA. Casi todo el Acetil-SCoA que se oxida en las mitocondrias proviene de dos vías metabólicas : a) De la glucolisis: Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico que se produce en el hialoplasma en el proceso de la glucolisis y, por lo tanto, es un producto del catabolismo de todos los glúcidos y de la glicerina de las grasas que, transformándose en dihidroxiacetona fosfato, puede entrar en la glucolisis. Este ácido pirúvico es transportado a la matriz mitocondrial (interviene una naveta o permeasa) donde sufre una descarboxilación oxidativa: el ácido pirúvico cede CO2 (descarboxilación) y se une al coenzima A formando Acetil-SCoA (oxidación). Esta complicada reacción está catalizada por un complejo multienzimático (de unos 400 Å de diámetro) formado por tres enzimas diferentes que es visible al M.E. con el aspecto de una inclusión. Uno de esos enzimas, la piruvato-deshidrogenasa, lleva como coenzima al NAD+ que se reduce a NADH + H+ (captando 2H). b) De los ácidos grasos: -oxidación de los ácidos grasos o hélice de Lynen Los ácidos grasos entran en las mitocondrias gracias a la intervención de la acil-SCoA sintetasa, la adenil-quinasa y la carnitina tal como ya hemos adelantado en apartados anteriores. Una vez en la matriz sufren una serie de reacciones secuenciadas que los fragmentan en moléculas de Acetil-SCoA. BALANCE: Para iniciar la oxidación de un ácidos graso, en la primera -oxidación se consumen dos ATP (en realidad un ATP que pasa a AMP) y en cada una de las -oxidaciones restantes del proceso se producen un FADH2 y un NADH + H+. IES Alfonso II 97 BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias 4.1.2. CICLO DE KREBS: OXIDACIÓN DEL ACETIL-SCOA EN LA MATRIZ MITOCONDRIAL El ciclo de Krebs se realiza en la matriz mitocondrial de todas las células eucariotas aerobias, tanto autótrofas como heterótrofas. La secuencia de estas reacciones fue demostrada en 1938 por Krebs y denominada ciclo del ácido cítrico, ciclo de los ácidos tricarboxílicos, o ciclo de Krebs. Se trata de ocho reacciones que empiezan y terminan con la condensación del ácido oxalacético con el acetílSCoA. A lo largo de estas ocho reacciones de desprenden dos moléculas de CO2, tres de NADH + H+, una de FADH2 y un GTP: En esta vía metabólica, el acetato activado (Acetil-SCoA), producido por la oxidación del ácido pirúvico y de los ácidos grasos, es a su vez oxidado en la matriz mitocondrial durante un ciclo de reacciones en las que intervienen ácidos di y tricarboxílicos de cuatro, cinco y seis átomos de carbono. Pero en el ciclo de Krebs no sólo se degrada el Acetil-SCoA proveniente de los glúcidos, de la glicerina y de los ácidos grasos, sino que también se incorporan las cadenas carbonadas de los aminoácidos. El catabolismo de los aminoácidos se realiza en el hialoplasma y conduce, según su naturaleza, a la formación de ácidos que aparecen en el ciclo de Krebs (oxalacético, -cetoglutárico, fumárico y succinil-SCoA), a donde van a deshidrogenarse y descarboxilarse. Aquí tienes el ciclo de Krebs completo, estúdialo razonando lo que ocurre en cada una de las reacciones: Reacciones del ciclo de Krebs 1- Condensación del grupo acetil (2C) del acetil-SCoA con el ácido oxalacético (4C) para formar ácido cítrico (6C). Se incorpora H2O y se libera el CoA. La reacción está catalizada por el enzima citratosintasa (o citrato-sintetasa). 2- Isomerización del ácido cítrico a ácido isocítrico (6C). La reacción está catalizada por el enzima aconitasa. (Hay un compuesto intermedio). 98 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias 3- Descarboxilación oxidativa del ácido isocítrico a ácido α-cetoglutárico (5C). El ácido isocítrico pierde CO2 (descarboxilación) y se oxida (perdiendo 2H). La reacción está catalizada por el enzima isocitratodeshidrogenasa, cuyo coenzima, el NAD+ se reduce a NADH + H+ (captando 2H). 4- Descarboxilación oxidativa del ácido α-cetoglutárico, que cede CO2 (descarboxilación) y se une al coenzima A formando succinil-SCoA (oxidación). (El grupo succinil tiene 4C). En el enlace formado se almacena parte de la energía liberada en la reacción. La reacción está catalizada por el enzima α-cetoglutarato-deshidrogenasa, cuyo coenzima, el NAD+ se reduce a NADH + H+ (captando 2H). 5- Fosforilación a nivel de sustrato. El succinil-SCoA cede el CoA transformándose en ácido succínico (4C). La reacción está catalizada por el enzima succinil-SCoA-sintetasa. No se trata de una simple hidrólisis sino de una reacción de conservación de la energía en la que se origina GTP a partir de GDP + Fosfato. A continuación el GTP cede su grupo fosfato terminal al ADP: GTP + ADP GDP + ATP 6- Oxidación del ácido succínico a ácido fumárico (4C). La reacción está catalizada por el enzima succinato-deshidrogenasa, cuyo coenzima, el FAD se reduce a FADH2 (captando 2H). 7- Hidratación del ácido fumárico a ácido málico (4C). Se incorpora H2O. La reacción está catalizada por el enzima fumarato-hidratasa. 8- Oxidación del ácido málico a ácido oxalacético (4C). La reacción está catalizada por el enzima malatodeshidrogenasa, cuyo coenzima, el NAD+ se reduce a NADH + H+ (captando 2H). 4.1.3. CADENA RESPIRATORIA Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Todos los coenzimas que se han reducido (captando 2H) en los procesos anteriores (descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, -oxidación, y ciclo de Krebs) tienen que regenerarse. Para ello van a ceder esos hidrógenos que pasan sucesivamente por los transportadores electrónicos de la cadena respiratoria a través de una serie de reacciones de oxidación-reducción catalizadas por enzimas que forman parte de la membrana mitocondrial interna, a nivel de las crestas mitocondriales. Dichos enzimas son fundamentalmente oxidorreductasas ordenadas de menor a mayor potencial de oxidación, de tal manera que cada una de ellas oxida a la anterior y es oxidada por la siguiente. Algunas de estas oxidorreductasas transportan hidrógenos completos, otras (citocromos) transportan sólo electrones y dejan libres a los protones en la matriz mitocondrial. Durante el transporte de un par de electrones desde el NADH + H+ hasta el O2 hay una gran disminución de energía. Debido a que el transporte electrónico se realiza en varias etapas sucesivas se puede conservar alrededor del 42% de esa energía mediante la síntesis de tres moléculas de ATP a partir de ADP + Fosfato. Este proceso constituye la fosforilación oxidativa o fosforilación de la cadena respiratoria: Las reacciones de oxidación-reducción y la fosforilación están acopladas por un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna: Según la hipótesis quimiosmótica, la energía liberada en la transferencia de electrones a través de la cadena respiratoria es utilizada por unas proteínas Fe-S, que bombean los protones que quedan libres, desde la matriz hasta el espacio intermembrana, en los tres lugares en que hay grandes descensos de energía. IES Alfonso II 99 BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias Este paso continuo de H + desde la matriz hasta el espacio intermembrana provoca un fuerte desequilibrio del gradiente electroquímico y del pH entre ambos espacios. Al perder H+ , la matriz se vuelve cada vez más básica mientras que el espacio intermembrana, al ganar H+, cada vez será más ácido. Al mismo tiempo la cara matricial de la membrana interna se hace más y más negativa mientras que la cara intermembranal es más y más positiva. Este desequilibrio se resuelve con el transporte (a favor del gradiente electroquímico) de protones desde el espacio intermembrana hasta la matriz a través del complejo enzimático ATP-asa (las esferas de 90 Å de la membrana mitocondrial interna). La ATP-asa utiliza la energía liberada para fosforilar ADP y formar ATP. Cada dos H+ que pasan por una esfera (ATP-asa) se produce un ATP. El último citocromo de la cadena respiratoria sólo puede ser oxidado por el O2, que acepta los electrones quedando ionizado (O =). Al quedar con carga negativa se asocia rápidamente con los H+ libres en la matriz para formar H2O. Por ello, cada transportador de hidrógenos que entra en la cadena respiratoria produce una molécula de H2O y consume media molécula de O2. Como en toda la cadena respiratoria hay tres lugares de acoplamiento que pasan protones desde la matriz al espacio intermembrana, una cadena respiratoria completa produce tres ATP. Los hidrógenos del NADH + H+ recorren la cadena completa y dan lugar a tres ATP, los hidrógenos del FADH2 recorren sólo parte de la cadena y sólo producen dos ATP. Hay una excepción a todo esto: en la mayoría de los tejidos, los NADH+H+ que se producen en el hialoplasma (por ejemplo en la glucolisis) sólo pueden entran en la mitocondria a través de la naveta glicerol-P, (la membrana mitocondrial es impermeable al NADH+H+); son recogidos por un FAD, por lo que producen solamente dos ATP. BALANCE: CALCULA EL RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA RESPIRACIÓN CELULAR Y DE LA DEGRADACIÓN AEROBIA DE LA GLUCOSA: - ¿Cuántos moles de ATP se obtienen a partir de un mol de acetil-SCoA que ingresa en ciclo de Krebs? - ¿Cuántos moles de ATP se obtienen a partir de un mol de ácido pirúvico que se degrada por vía aerobia? - ¿Cuántos moles de ATP se obtienen a partir de un mol de Glucosa que se degrada por vía aerobia? (Ecuación global del proceso: C6H12O6 + 6 O2 6 C O2 + 6 H2O ) 4.2. FORMACIÓN DE PRECURSORES DE OTRAS VÍAS METABÓLICAS En el ciclo de Krebs, además de oxidarse el ácidos acético (grupos acetil), se producen muchas moléculas que son utilizadas para iniciar otras vías metabólicas (anabólicas) de síntesis de compuestos como ácidos grasos, aminoácidos, porfirinas, glucosa, urea, etc. Las moléculas precursoras de estas síntesis se escapan del ciclo de Krebs y por lo tanto tienen que ser repuestas continuamente. La posibilidad de obtener ácido oxalacético a partir del ácido pirúvico (al margen) favorece la fluidez de todos estos procesos al realimentar el ciclo de Krebs en su primera reacción. 4.2.1. Neoglucogénesis En una vía anabólica mediante la cual se sintetiza glucosa y, a partir de ella, cualquier otro glúcido. Existen varias posibilidades de neoglucogénesis, siempre teniendo en cuenta que será en el hialoplasma donde tengan lugar las reacciones químicas en una especie de glucolisis inversa: a) A partir del ácido oxalacético que, transformándose en fosfoenolpirúvico, entra directamente en una especie de glucolisis inversa, neoglucogénesis. 100 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias El problema está en que la membrana mitocondrial interna es impermeable al ácido oxalacético y éste se produce sobre todo en la matriz de la mitocondria mientras que su transformación a glucosa se realiza en el hialoplasma. Para salir de la mitocondria, el ácido oxalacético se transforma en ácido málico y utiliza la naveta "malato" existente en la membrana mitocondrial. Una vez en el hialoplasma, se transforma en ácido oxalacético de nuevo y luego en fosfoenolpirúvico, etc. hasta llegar a glucosa. b) A partir del ácido láctico que se produce en el hialoplasma como consecuencia de la fermentación. El ácido láctico se transforma en pirúvico que entra en la mitocondria, se transforma en oxalacético y sigue el camino descrito en el apartado anterior. Ácido láctico Ácido pirúvico (mitocondria) Ácido oxalacético etc c) A partir del Acetil-SCoA que puede transformarse en glucosa mediante una vía metabólica exclusiva de los vegetales. 4.2.2. Síntesis de ácidos grasos Los ácidos grasos hasta el estado de 16 carbonos, se sintetizan en el hialoplasma mediante una secuencia de reacciones de condensación de ácidos acéticos activados (unidos al CoASH) que provienen del acetil-SCoA del ciclo de Krebs. Los procesos de elongación y desaturación de estos ácidos se realizan en el retículo endoplasmático. El problema consiste en que el acetil-SCoA se forma principalmente en la matriz mitocondrial y la membrana mitocondrial interna es impermeable a este compuesto. Para que pueda salir hacia el hialoplasma el Acetil-SCoA es transformado en ácido cítrico, molécula para la cual existe una naveta específica y, una vez en el hialoplasma, se transforma de nuevo en Acetil-SCoA de la siguiente manera: Ácido cítrico + CoASH + ATP Acetil-CoA + Ácido oxalacético + ADP+ Pi 4.2.3. Ureogénesis Es el proceso de síntesis de urea, el principal producto de excreción que permite a los mamíferos deshacerse de los grupos amino de compuestos nitrogenados como son los aminoácidos, nucleótidos, porfirinas, etc. Este proceso se realiza en los hepatocitos según un complicado ciclo metabólico que implica al hialoplasma y a las mitocondrias. El precursor de esta vía metabólica es el ácido fumárico que aparece también en el ciclo de Krebs. 4.2.4. Formación de aminoácidos y porfirinas - De los veinte aminoácidos que aparecen en las proteínas, diez son esenciales para la especie humana y el resto pueden ser fabricados por nuestras propias células. El anabolismo de estos aminoácidos se inicia a partir de ciertos compuestos que aparecen en el ciclo de Krebs como son el ácido -cetoglutárico o el ácido oxalacético. - Las porfirinas también se sintetizan a partir de moléculas que aparecen en el ciclo de Krebs, concretamente a partir del succinil-SCoA que, reaccionando con la serina, forma el compuesto básico para su síntesis. Las porfirinas son el esqueleto químico fundamental para la formación de los citocromos, el grupo hemo, la clorofila, etc. En la membrana interna de las mitocondrias también se encuentra la ferrocatalasa, enzima que añade el átomo de Fe para formar el grupo hemo. 4.3. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS MITOCONDRIALES En la matriz mitocondrial se encuentran todos los componentes necesarios para que se pueda realizar la síntesis proteica: ribosomas, ADN, todo tipo de ARN, los enzimas necesarios, etc. El proceso de síntesis proteica en las mitocondrias es similar al que se estudia en el tema 13 (en los ribosomas citoplasmáticos) y se parece enormemente al realizado por las bacterias con sus ribosomas 70S. Las proteínas sintetizadas en las mitocondrias no son muchas pero son muy importantes: por ejemplo son las que forman el complejo multienzimático de la ATP-asa, la cadena respiratoria, la piruvato deshidrogenasa, un transportador ATP-ADP que introduce ADP en la matriz y saca ATP hacia el hialoplasma, etc. IES Alfonso II 101 BIOLOGÍA Célula: las mitocondrias 4.4. INTERCAMBIO DE IONES Y MOLÉCULAS HIALOPLASMA - MATRIZ Para que no se interrumpa la gran actividad mitocondrial es imprescindible un fluido y eficaz intercambio de moléculas, iones, etc. entre el hialoplasma y la matriz. Por ejemplo entran aminoácidos, ácidos grasos, ADP, O2, ácido pirúvico, etc. y salen CO2, ATP, H2O, precursores de muchas rutas metabólicas, etc. Todo este trasiego de moléculas está controlado por las membranas mitocondriales, sobre todo la interna, mediante sus transportadores específicos o permeasas y también por difusión según sus concentraciones. Regulando la actividad de estos transportadores específicos se regula también toda la actividad fisiológica de la mitocondria y por lo tanto casi todo el metabolismo celular. Las permeasas (o navetas) más importantes que controlan este intercambio son: las del ADP-ATP, ácido pirúvico, ácido málico, ácido -cetoglutárico y ácido cítrico. 5. BIOGÉNESIS Toda mitocondria procede de otra mitocondria previa. Una mitocondria crece y al llegar a cierto tamaño se escinde en dos. Si una célula tiene que reajustar su número de mitocondrias eliminando alguna, lo hace por autofagia, tal como se ha estudiado al hablar de los lisosomas. Los lípidos de las membranas mitocondriales, como todos, se sintetizan en el R.E. liso de la célula. Algunas proteínas se sintetizan en los ribosomas del hialoplasma y otras (sólo un 10% del total, pero las más significativas) se sintetizan en los ribosomas mitocondriales. Entran aquí en juego dos genomas que deben reprimirse mutuamente, el genoma del núcleo celular y el genoma mitocondrial. El ADN mitocondrial dirige la síntesis de represores que inhiben ciertos genes del núcleo, mientras que el ADN nuclear dirige la síntesis de represores que inhiben ciertos genes mitocondriales. De esta mutua represión coordinada depende el éxito de esta simbiosis armoniosa que se establece entre las mitocondrias y las células que las contienen. Microfotografías de mitocondrias: 102 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos TEMA 11: ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA CELULAR: LOS CLOROPLASTOS Introducción. Estructura. Composición química. Fisiología: Fotosíntesis; Fotosistemas; Fase luminosa; Fase oscura; Incorporación de otros elementos. Factores que influyen en la fotosíntesis: la fotorrespiración. Síntesis de proteínas. Intercambios estroma - hialoplasma. La quimiosíntesis. Biogénesis. Plastos. 1. INTRODUCCIÓN Los cloroplastos son orgánulos citoplasmáticos que se encuentran en todas las células eucariotas vegetales fotosintéticas. Son de color verde debido a la presencia de la clorofila; también contienen pequeñas cantidades de otros pigmentos como caroteno y xantofila; gracias a ellos realizan la fotosíntesis convirtiendo la energía luminosa en energía química biológicamente útil (ATP). En las células de las hojas y tallos jóvenes de los vegetales superiores (musgos y plantas vasculares) los cloroplastos tienen forma lenticular con un diámetro entre 3 y 10 y un espesor entre 1 y 2 . Suelen existir unos 40 por célula (aunque el número depende de su actividad fotosintética). En las algas y otras plantas no vasculares la forma y número de cloroplastos es variable: algunas algas verdes filamentosas, como Spirogyra o Zygnema, sólo tienen dos cloroplastos por célula, de formas muy especiales (helicoidal y estrellada respectivamente). En algunas algas, además de clorofila, los cloroplastos contienen otros pigmentos que la enmascaran dando otro color al vegetal (rojo, pardo etc). 2. ESTRUCTURA Los cloroplastos están separados del hialoplasma por una envoltura doble formada por dos membranas concéntricas de unos 60 Å de espesor, la membrana plastidial externa y la membrana plastidial interna, entre las que se sitúa el espacio intermembrana (o intermembranoso) de entre 100 y 200 Å de espesor. Esta envoltura encierra un gran espacio central, el estroma, en el que se encuentran unos sacos cerrados y aplanados llamados tilacoides o lamelas formados por un tercer tipo de membrana, la membrana tilacoidal, de unos 70 Å de espesor. Los tilacoides están comunicados entre si formando un tercer compartimento, el espacio tilacoidal (o intratilacoidal), de unos 100 Å de espesor. En resumen hay tres tipos de membrana (plastidial externa, plastidial interna y membranas tilacoidales) y tres compartimentos diferentes (espacio intermembrana, estroma y espacio tilacoidal). Los tilacoides se orientan paralelos al eje mayor del cloroplasto y no están distribuidos uniformemente; pueden extenderse por todo el estroma o apilarse formando paquetes llamados grana. Por ello se distinguen dos tipos de tilacoides: los tilacoides del estroma y los tilacoides de los grana. En los cloroplastos de la mayoría de los vegetales superiores suele haber de 40 a 60 grana, formados cada uno por unos 10 tilacoides. En algunos vegetales, como el maíz o la caña de azúcar, los cloroplastos no poseen grana. En la cara estromática de la membrana tilacoidal se encuentran adosadas unas partículas de 90 Å de diámetro: se trata del complejo enzimático de la ATP-asa, estructural y funcionalmente similar al de las mitocondrias. También se pueden observar en el estroma: ADN2C circular, ribosomas, los plastorribosomas, similares a los mitorribosomas (70S) y plastoglóbulos o inclusiones sólidas (500 a 3000 Å de diámetro) como los granos de almidón. IES Alfonso II 103 BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos 3. COMPOSICIÓN QUÍMICA 3.1. DE LA ENVOLTURA Sus membranas tienen la proporción más baja de proteínas, similar a la estudiada en la membrana plasmática: 60% proteínas y 40% lípidos. Los lípidos son parecidos a los de las membranas reticulares: glicolípidos, fosfolípidos, etc. Poseen una pequeña proporción de terpenos, carecen de clorofila y también carecen de colesterol. Las proteínas más características son transportadores específicos que controlan el intercambio de sustancias entre el estroma y el hialoplasma. También se puede destacar a las glicosiltransferasas que catalizan la síntesis de los glicolípidos de las membranas. 3.2. DE LAS MEMBRANAS DE LOS TILACOIDES El 50% son proteínas, el 38% lípidos (glicolípidos, fosfolípidos, etc) y el 12% pigmentos. Los pigmentos son fundamentalmente de dos tipos: clorofilas (10%) y terpenos (2%) como el caroteno (anaranjado) o la xantofila (amarillo). En algunas algas hay pigmentos accesorios como la ficocianina y la ficoeritrina. Las proteínas, hidrófobas mayoritariamente, se clasifican en tres grupos: a) Asociadas a la clorofila y otros pigmentos: forman los fotosistemas, grandes complejos integrados en la membrana que captan la energía luminosa en la fotosíntesis. b) Constituyentes de la cadena fotosintética, proteínas transportadoras de electrones que funcionan de manera parecida a las de la cadena respiratoria: la plastoquinona, la ferredoxina, los citocromos f y b6. c) Las que forman el complejo de la ATP-asa cloroplástica, formada por una parte hidrosoluble, la esfera de 90 Å o factor de acoplamiento F1 , el pedúnculo y la base hidrófoba. Este complejo multienzimático constituye un canal de protones similar al descrito en las mitocondrias. 3.3. DEL ESTROMA - Moléculas de ADN2C circulares, con información para la síntesis de numerosas proteínas del cloroplasto. - Ribosomas (los plastorribosomas) más pequeños que los del hialoplasma (70S). - Proteínas, de las que la mayoría son enzimas que pueden clasificarse en dos grupos: 1) Los que intervienen en la replicación, transcripción y traducción del ADN del cloroplasto. 2) Los que permiten reducir el CO2, nitratos (NO3- ) y sulfatos (SO42- ) a materia orgánica (fase oscura de la fotosíntesis). -Diversos iones y moléculas en disolución: iones Mg2+, ácido fosfórico, ARN, nucleótidos, ácidos orgánicos. -Gránulos de almidón, gotas de lípidos, etc. (Respecto a los otros dos compartimentos: el espacio intermembrana es de composición parecida al citosol, mientras que la composición química del espacio intratilacoide es poco conocida). 4. FISIOLOGÍA La función principal de los cloroplastos es la fotosíntesis, proceso de oxidorreducción en el que, utilizando energía luminosa se sintetiza materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos: agua, dióxido de carbono, nitratos, sulfatos y fosfatos. Pero también realizan otras funciones como: - La síntesis de proteínas del cloroplasto. - Los intercambios de iones y moléculas con el hialoplasma. 4.1. LA FOTOSÍNTESIS La fotosíntesis es un proceso anabólico autótrofo mediante el cual las células vegetales fotosintéticas son capaces de transformar la energía luminosa en energía química biológicamente útil (ATP y NADPH + H+), que a su vez será utilizada para efectuar la biosíntesis de los compuestos celulares (moléculas orgánicas) a partir de algunos compuestos inorgánicos (nutrición autótrofa). Ecuación global de la fotosíntesis: CO2 + 2H2O + Energía luminosa (CH2O) + O2 + H2O El compuesto CH2O representa un azúcar, por ejemplo la sexta parte de una molécula de glucosa, o la tercera parte de una molécula de gliceraldehido. El O2 liberado proviene del H2O , por ello, por cada molécula de CO2 deben consumirse 2 de H2O. 104 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos El H2O actúa como agente reductor o dador de electrones y el CO2 como agente oxidante que capta electrones y se reduce. La fotosíntesis es un proceso de gran importancia para todos los seres vivos, ya que constituye el primer eslabón energético en la biosfera: prácticamente toda la energía consumida por los seres vivos, tanto autótrofos como heterótrofos, que forman parte de las cadenas tróficas procede, en último término de la energía solar capturada en la fotosíntesis (aunque algunas bacterias realizan la quimiosíntesis). Como producto final se libera O2 a la atmósfera; por ello la fotosíntesis tiene una gran importancia para la vida de los organismos aerobios y su aparición jugó un papel decisivo en el proceso de la evolución de los seres vivos. Según las principales teorías evolutivas los primeros seres vivos eran heterótrofos y anaeróbios; al aparecer organismos autótrofos que realizaban la fotosíntesis, la hidrosfera y la atmósfera se enriquecieron en O2 y ello hizo posible la aparición de la vida aeróbia. Para su estudio se divide el proceso fotosintético en dos fases o etapas: - Fase luminosa o fotoquímica: es la fase inicial, en la que se capta la energía luminosa y se transforma en energía química. Evidentemente, no puede realizarse a oscuras. Tiene lugar en las membranas tilacoidales, donde están los fotosistemas (tanto en las membranas de los grana, como de los tilacoides sencillos). - Fase oscura o biosintética: en ella se sintetiza la materia orgánica utilizando la energía obtenida en la fase luminosa. No necesita de la luz pero no es necesario que la planta esté a oscuras (incluso la planta es mucho más activa biosintéticamente con luz que a oscuras). Se realiza en el estroma. 4.1.1. LOS FOTOSISTEMAS Son grandes complejos integrados en la membrana tilacoidal que captan la energía luminosa en la fotosíntesis. Cada fotosistema está constituido por moléculas de pigmentos, principalmente clorofilas, carotenoides y xantofilas, asociadas a proteínas y a otros lípidos. En un fotosistema se distinguen 2 partes: - El complejo antena: formado por numerosas moléculas de pigmento unidas a proteínas de la membrana, que absorben energía luminosa de determinadas longitudes de onda. Cuando un fotón impacta sobre una molécula de pigmento, esta energía de excitación es transferida a las moléculas vecinas hasta llegar al centro de reacción del fotosistema. - El centro de reacción : formado por: a) Una molécula de clorofila (la clorofila DIANA) que recibe, por resonancia, toda la energía luminosa captada por el complejo antena; por cada fotón que recibe, uno de sus electrones adquiere alto nivel energético y salta a órbitas muy alejadas de su núcleo; la clorofila, por tanto, se oxida por pérdida de electrones y queda ionizada (con carga positiva). b) Una molécula denominada aceptor primario de electrones que recoge los electrones que le transfiere la clorofila diana para transferirlos a su vez, fuera del fotosistema, a la cadena de citocromos. c) Una molécula llamada dador primario de electrones que cede los electrones a la clorofila diana para que recupere su estabilidad y pueda ser excitada de nuevo. En los cloroplastos hay dos tipos de fotosistemas: - FOTOSISTEMA I (FSI o PhSI): capta fotones con longitud de onda igual o menor a 700 nm. Su antena esta formada por caroteno, clorofila b y varias clorofilas a. La molécula diana es la clorofila P700, el aceptor primario no se conoce muy bien y se denomina aceptor X (o aceptor A0), y el dador primario es la plastocianina. - FOTOSISTEMA II (FSII o PhSII): capta fotones con longitud de onda igual o inferior a 680 nm. Su antena esta compuesta por xantofila, clorofila b, y varias clorofilas a. La molécula diana es la clorofila P680, el aceptor primario se denomina feofitina o pheo y el dador primario, que no se conoce completamente, es el dador Z. IES Alfonso II 105 BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos 4.1.2. FASE LUMINOSA Puede realizarse según dos modalidades, acíclica y cíclica. A) FASE LUMINOSA ACÍCLICA Se puede considerar que el proceso se inicia con la llegada de dos fotones al FSII, con lo que la clorofila P680 se oxida perdiendo dos electrones, que son captados por la feofitina, que a su vez los cede al complejo plastoquinona - citocromo b6 - citocromo f: La plastoquinona se activa y capta dos protones del estroma; transfiere los dos electrones al citocromo b6 que los cede al citocromo f y, durante esta transferencia, los dos protones son bombeados hacia el interior del tilacoide. Del citocromo f los dos electrones pasan a la plastocianina. Al mismo tiempo que esto ocurre, en el interior del tilacoide y gracias al impacto de los fotones se produce la hidrólisis de una molécula de H2O en un proceso llamado fotólisis del agua: H2O 1/2 O2 + 2H+ + 2eLos dos electrones liberados llegan, a través de una cadena de transportadores no muy bien conocida, a la clorofila P680, que vuelve a su estado reducido inicial. El O2 queda libre en la atmósfera (es el O2 que se desprende durante la fotosíntesis), y los 2H+ se quedan en el interior del tilacoide junto con los que acaban de ser bombeados desde el estroma por la plastoquinona. Esta acumulación de protones en el interior de los tilacoides produce una diferencia de potencial electroquímico a ambos lados de las membranas tilacoidales que se resuelve, según la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, de una manera similar a como ocurre en las crestas mitocondriales: con la salida de protones desde el espacio tilacoidal hacia el estroma a través de la ATP-asa, con la consiguiente producción de ATP que se acumulará momentáneamente en el estroma. Este proceso se denomina fotofosforilación ya que consiste, en síntesis, en el acoplamiento de unas reacciones de oxidación, provocadas por la luz, con una reacción de fosforilación del ADP: ADP + Pi ATP + H2O Los fotones lumínicos llegan también al FSI; cuando el FSI absorbe dos fotones, su molécula diana, la clorofila P700, se oxida perdiendo dos electrones que son captados por el aceptor X, el cual inmediatamente los cede a la ferredoxina. Los dos electrones necesarios para que la clorofila P700 vuelva a su estado reducido inicial son aportados por la plastocianina; se trata, por tanto, de los electrones que desde la clorofila P680 habían llegado hasta la plastocianina. La ferredoxina pasa los dos electrones al enzima ferredoxina NADP-reductasa que se activa y capta 2H+ del estroma y los transfiere, junto con los 2e-, al NADP+ que se reduce: NADP+ + 2H+ + 2e- NADPH + H+ Para que se realice todo el proceso completo, fotólisis del agua, fotofosforilación del ADP y reducción del NADP+, es necesario que 2 electrones recorran toda la cadena transportadora. Como la activación de cada eprecisa el impacto de un fotón en el FSI y de otro fotón en el FSII, será necesario el impacto de 4 fotones. 106 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos B) FASE LUMINOSA CÍCLICA Se trata de un proceso en el que sólo participa el fotosistema I: los dos electrones desprendidos por la clorofila P700 y captados por la ferredoxina pasan al complejo plastoquinona-citocromo b6 - citocromo f, que los cede a la plastocianina y por último de nuevo a la clorofila P700 del FSI. El recorrido de los electrones es, por lo tanto, cíclico: salen de la clorofila P700 y regresan a la clorofila P700. Hay bombeo de protones del estroma al interior del tilacoide (al pasar los electrones por el complejo plastoquinona - citocromo b6 citocromo f ) y su posterior regreso al estroma a través de la ATP-asa produce síntesis de ATP. El FSII no actúa y, por lo tanto, no se produce fotólisis del agua, no se desprende O2 y como la ferredoxina NADP-reductasa no es activada, tampoco se produce NADPH + H+. La fase luminosa cíclica ocurre cuando los cloroplastos son iluminados con luz de longitud de onda superior a los 680 nm (rojo lejano) y tiene como finalidad subsanar el déficit de ATP que se produce durante la fase oscura de la fotosíntesis ya que durante ese proceso, se consume más ATP que NADPH + H+. La regulación de ambas modalidades de fase luminosa depende del equilibrio químico entre las moléculas que se producen en ambos casos y por lo tanto del consumo que de ellas haga el metabolismo celular. 4.1.3. FASE OSCURA: CICLO DE CALVIN Durante esta fase, que también se denomina biosintética, se utilizan la energía del ATP y el poder reductor del NADPH + H+ , procedentes de la fase luminosa, para formar materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos. La fuente de carbono es el CO2 atmosférico, la fuente de nitrógeno es el NO2- y el NO3- del suelo y la fuente de azufre el SO42- del suelo. Comienza con la incorporación del CO2 atmosférico a la ribulosa-1-5difosfato (5C), gracias a la acción del enzima ribulosa-bifosfato carboxilasa oxidasa (Rubisco), dando lugar a una molécula de 6 átomos de carbono muy inestable que inmediatamente se escinde en dos moléculas de ácido 3fosfoglicérico (3C). La primera molécula en que se encuentra el carbono proveniente del CO2 es una molécula de tres átomos de carbono (el ácido 3-fosfoglicérico) y por este motivo a las plantas que siguen esta vía metabólica se les llama plantas C3. El ácido 3-fosfoglicérico se reduce a gliceraldehido-3-fosfato. La reacción se lleva a cabo con el consumo de la energía almacenada en el ATP. El enzima que la cataliza es la gliceraldehido-3-fosfatodeshidrogenasa que lleva como coenzima al NADPH + H+, que se oxida a NADP+ (cediendo 2H). En esta reacción se ha utilizado la energía del ATP y el poder reductor del NADPH + H+ , formados en la fase luminosa. IES Alfonso II 107 BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos El gliceraldehido-3-fosfato puede sufrir una serie de reacciones sucesivas para regenerar la ribulosa-1-5difosfato estableciéndose un ciclo cerrado denominado Ciclo de CALVIN. Sin embargo la importancia de este proceso radica en que no todo el gliceraldehido-3fosfato se utiliza para regenerar la ribulosa-1-5difosfato sino que también es la base para la biosíntesis de otros compuestos: El gliceraldehido-3-fosfato forma parte de la glucólisis y por lo tanto a partir de él se puede formar glucosa (y el resto de los glúcidos) y glicerina; también ácidos grasos (y grasas) y aminoácidos (no tan directamente). Hay que tener en cuenta que cada molécula de CO2 que se incorpora aporta 1C para la formación, por ejemplo, de la sexta parte de una molécula de glucosa (CH2O). Recordar la ecuación global de la fotosíntesis: CO2 + 2H2O + Energía luminosa (CH2O) + O2 + H2O que también puede expresarse así: 6CO2 + 12H2O + Energía luminosa C6H12O6 + 6O2 + 6 H2O 4.1.4. INCORPORACIÓN DE OTROS ELEMENTOS La vía metabólica anterior, también llamada fotosíntesis del carbono, explica cómo se incorpora el CO2 atmosférico a la materia orgánica y, por lo tanto, cómo se forman compuestos carbonados como son los monosacáridos. Pero algunas biomoléculas llevan otros elementos, como N o S. Incorporación del N: La reducción de los NO3- que se encuentran en el suelo y la incorporación del N a la materia orgánica se realiza en tres etapas que implican el consumo de ATP y necesitan del poder reductor del NADPH + H+ : Primero los iones NO3- son reducidos a NO2- por el enzima nitrato reductasa, a continuación los NO2- son reducidos a NH3 por la nitrito es reductasa. Por último el NH3 inmediatamente captado (resultaría muy tóxico para la planta) por el ácido -cetoglutárico que pasa a ácido glutámico por la intervención del enzima glutamato deshidrogenasa que tiene como coenzima una molécula de NADPH + H+. El nitrógeno, incorporado de ésta manera al grupo amino del ácido glutámico puede pasar a otros cetoácidos por transaminación para dar lugar al resto de los aminoácidos no esenciales. Algunas plantas pueden incorporar directamente NO2- y algunas bacterias (cianobacterias) pueden incorporar el N2 atmosférico (por ejemplo las bacterias del género Rhizobium, simbióticas de las raíces de las leguminosas). Incorporación del S: Con consumo de ATP y NADPH + H+, el ión sulfato (SO42-) se reduce primero a sulfito (SO32-) y luego a H2S. El H2S reacciona con la acetíl-serina de tal manera que el S pasa a formar parte del aminoácido cisteína y por lo tanto entra en la familia de moléculas orgánicas. 108 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos 4.2. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FOTOSÍNTESIS Si se intenta encontrar un balance teórico y global de cuántos fotones, cuánto NADPH2 y cuántas moléculas de ATP se necesitan para sintetizar una molécula de glucosa o cuánto O2 se desprende, se encuentran unos datos que no se ajustan a los obtenidos experimentalmente. El rendimiento real de la fotosíntesis es de un 25% (respecto al teórico) y ello se debe a que en el desarrollo de este proceso influyen muchos factores, como la temperatura, la concentración de O2, la concentración de CO2, la iluminación o la cantidad de agua disponible: - Intensidad y longitud de onda de la luz: los carotenos y las clorofilas de los fotosistemas absorben fotones de unas determinadas longitudes de onda; si se ilumina una planta con luz de longitud de onda inadecuada o con una intensidad insuficiente, la fotosíntesis no podrá realizarse. Con luz suficiente, un aumento de su intensidad aumentará el rendimiento fotosíntético hasta un valor máximo por encima del cual se estabilizará debido a la saturación de los centros de reacción de los fotosistemas. - Temperatura: la fotosíntesis, como todo proceso químico, está influenciada por la temperatura, ya que por cada 10ºC de aumento de temperatura, la velocidad se duplica. Pero un aumento excesivo de la temperatura desnaturalizará los enzimas que catalizan el proceso y se producirá un descenso del rendimiento fotosintético (Gráfica 1). - Concentración de CO2: si el resto de los factores se mantienen constantes, un aumento en la cantidad de CO2 aumentará el rendimiento de la fotosíntesis hasta llegar a un valor máximo por encima del cual se estabilizará por saturación de los centros de reacción de los fotosistemas (Gráfica 2). - Concentración de O2: un aumento en la concentración de O2 inhibe la fotosíntesis, ya que el oxígeno inhibe el enzima Rubisco que incorpora el CO2 a la Ribulosa-1-5-difosfato. - Agua disponible: la fotorrespiración: es el problema más importante que se puede presentar cuando el ambiente es cálido y seco. En estas circunstancias y para ahorrar agua, los estomas de las hojas se cierran, el O2 producido durante la fotólisis no puede salir a la atmósfera y se concentra en el interior de la planta con lo cual el enzima Ribulosa-bifosfato carboxilasa oxidasa (Rubisco), modifica su función y, en vez de carboxilar a la ribulosa 1-5-bifosfato, la oxida rompiéndola en ácido 3-fosfoglicérico (3C) y ácido glicólico (2C). Éste pasa al interior de los peroxisomas y se transforma: dos de ácido glicólico dan una de ácido 3-fosfoglicérico y un CO2. Este proceso es muy similar a la respiración en las mitocondrias, pero provocado durante la fotosíntesis resulta muy perjudicial porque reduce la efectividad fotosintética en un 50%. La ruta de HATCH-SLACK es una vía alternativa para la incorporación del CO2 que contrarresta los efectos de la fotorrespiración. El camino que sigue el CO2 desde la atmósfera hasta su incorporación a la materia orgánica, según esta vía metabólica es el siguiente: La molécula aceptora del CO2 es el ácido fosfoenolpirúvico que se transforma en ácido oxalacético. La primera molécula en la que se puede encontrar el carbono proveniente del CO2 es una molécula de 4 carbonos (el ácido oxalacético); por ello a las plantas que siguen esta vía metabólica se les llama plantas C4. IES Alfonso II 109 BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos Al incorporarse el CO2 al ácido oxalacético no es necesaria la actuación del enzima rubisco; se utiliza la fosfoenolpiruvato carboxilasa, que no se ve perjudicada por una alta concentración de O2. El ácido oxalacético pasa a ácido málico y éste pasa de los cloroplastos del mesófilo a los de las células más internas que rodean a los vasos conductores y libera el CO2 que seguirá el ciclo de Calvin. Este proceso no puede realizarse en cualquier cloroplasto, las plantas C4 (maíz, mijo, caña, cactus, etc.), que suelen vivir en climas tropicales, o en climas muy cálidos y secos, donde la fotorrespiración podría resultar un grave problema, presentan dos tipos de cloroplastos: Unos se encuentran en las células más internas de las hojas, pegados a los vasos conductores; los otros se encuentran en una capa llamada mesófilo que rodea a las células anteriores. La fijación del CO2 se realiza en estos últimos cloroplastos, más periféricos, según la ruta de HATCH-SLACK. 4.3. SÍNTESIS DE PROTEÍNAS. La síntesis protéica en los plastorribosomas es un proceso similar al que tiene lugar en bacterias y mitocondrias. En los cloroplastos se sintetizan tanto proteínas de las membranas de la envoltura como proteínas de las membranas tilacoidales o del estroma: - De las membranas tilacoidales se sintetizan, entre otras, la ATPasa, el citocromo f y alguna proteína de las que se asocian a las clorofilas. - De la envoltura se sintetiza, por ejemplo, la nitrito reductasa. - Del estroma se sintetizan, entre otras, las subunidades grandes de la ribulosa bifosfato carboxilasa-oxidasa. También se sintetizan en el estroma todos los ARNt del cloroplasto. Aunque no son muchas las proteínas sintetizadas en el cloroplasto, son muy importantes cuantitativamente, por ejemplo, sólo las subunidades grandes de la Rubisco son el 30% del peso de las proteínas de una hoja; también son importantísimas cualitativamente pues a ellas debe el cloroplasto su especial fisiología. 4.4. INTERCAMBIOS ENTRE EL CLOROPLASTO Y EL HIALOPLASMA. Considerando la gran actividad metabólica de los cloroplastos, son muchas las moléculas e iones que tienen que atravesar la envoltura plastidial: - Entran, por ejemplo, CO2, H2O, Pi, NO3-, NO2-, SO4=, ácidos dicarboxílicos y aminoácidos. - Salen hacia el citoplasma las triosas fosfato, precursoras de un gran número de moléculas orgánicas. Todas estas entradas y salidas son controladas por la membrana plastidial interna mediante "navetas" o transportadores específicos. De estos transportadores los más importantes son malato – aspartato y triosa fosfato - fosfato inorgánico. Sin embargo la membrana interna es impermeable al ATP, al NADPH, a los H+, al Na+, al Mg2+, al K+ y a las moléculas intermediarias en el ciclo de Calvin, como la ribulosa 1-5 difosfato. 5. LA QUIMIOSÍNTESIS: OTRA FORMA DE NUTRICIÓN AUTÓTROFA La quimiosíntesis es un proceso típicamente bacteriano, que se estudia aquí por ser otra forma de nutrición autótrofa. A diferencia de la fotosíntesis, la energía y los electrones (ATP y NADPH + H+) necesarios para los procesos de anabolismo proceden de la oxidación de sustancias inorgánicas. Por ello, las bacterias quimiosintéticas son los únicos seres vivos no dependientes, ni directa ni indirectamente, de la luz solar. 110 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos Para llevar a cabo esta forma de nutrición, típicamente bacteriana, las diferentes especies se han especializado en la oxidación de distintos sustratos. Según el sustrato oxidado se distinguen: a) Bacterias nitrosificantes: como las del género Nitrosomonas que obtienen energía en forma de ATP y coenzimas reducidos aprovechando la oxidación de las sales amoniacales (NH4+) presentes en los excrementos y en la materia orgánica en descomposición que pasan a nitritos. b) Bacterias nitrificantes: como las del género Nitrobacter que utilizan la energía liberada por la oxidación de los nitritos (NO2- ) a nitratos (NO3- ). Con la actividad de estas bacterias se consigue cerrar el ciclo del nitrógeno que forma parte de la materia viva: devuelven a la materia inorgánica (el suelo o el medio en el que viven) el nitrógeno que formaba parte de los seres vivos. El nitrógeno volverá a la materia viva a través de las plantas que lo absorben del suelo (en forma de NO3 -) y lo incorporan a su materia orgánica tal como se ha comentado anteriormente. c) Bacterias del azufre incoloras: como las del género Thiobacillus, que aprovechan la oxidación de los sulfuros a azufre y del azufre a sulfitos o a sulfatos. d) Bacterias del hierro: utilizan la energía liberada por la oxidación de compuestos ferrosos a férricos. Estos dos últimos tipos de bacterias viven, sobre todo, en los yacimientos de azufre y hierro de origen volcánico y en particular en los llamados humeros negros. 6. BIOGÉNESIS Los nuevos cloroplastos se forman, bien por división de los ya existentes, o bien por diferenciación de precursores de pequeño tamaño, los protoplastos, que también se multiplican por sí mismos. Existe por lo tanto, una continuidad asegurada entre los cloroplastos de un mismo organismo y los de sus descendientes. La división, tanto de los cloroplastos como de los protoplastos, es comparable a la de las mitocondrias y puede realizarse por segmentación (una especie de estrangulamiento) o por partición. Los protoplastos se encuentran y replican en todas las células del vegetal excepto en los gametos masculinos de las plantas superiores (anterozoides) y se transforman en cloroplastos cuando son iluminados. Tardan de 8 horas a tres días en completar una diferenciación que básicamente consiste en la síntesis de clorofila y el desarrollo de las membranas tilacoidales. En cuanto a la síntesis de las moléculas constituyentes de los cloroplastos se sabe que algunas proteínas son sintetizadas por los ribosomas citoplasmáticos utilizando información nuclear y otras son sintetizadas por los plastorribosomas utilizando información genética exclusivamente plastidial. Sin embargo el número de proteínas extraplastidiales es muy elevado y su paso al interior del cloroplasto todavía no se conoce muy bien. Los lípidos de membrana se sintetizan en el retículo endoplasmático, excepto los galactolípidos que se sintetizan en el propio cloroplasto y se ensamblan en la envoltura plastidial. Los carotenoides, la plastoquinona, las clorofilas y casi todos los citocromos de la cadena fotosintética, también se sintetizan en el interior de los cloroplastos. El origen de los plastos, igual que el de las mitocondrias, se supone simbiótico: células aeróbicas primitivas, en algún momento engloban por endocitosis pequeñas algas verdeazuladas (cianofíceas), que desarrollando un proceso de simbiosis y mutua represión genética para impedir el rechazo, se convierten primero en las algas rojas, después en algas pardas y verdes para dar a continuación lugar a la aparición de los vegetales superiores: hepáticas, musgos, helechos, gimnospermas y angiospermas. 7. LOS PLASTOS Los cloroplastos son un tipo de plastos: orgánulos exclusivos de las células vegetales que están limitados por una doble membrana y en su interior pueden poseer pigmentos o sintetizar y acumular diversas sustancias de reserva. Todos se originan a partir de los protoplastos (plastos de pequeño tamaño, no diferenciados). Según la posterior evolución de estos orgánulos existen diversos tipos de plastos: - Cloroplastos: color verde ya que contienen, entre otros pigmentos fotosintéticos, clorofila. En ellos se realiza la fotosíntesis y por este motivo han sido el objetivo de este tema. - Cromoplastos: color amarillo o anaranjado por acumulación de carotenoides, como los del tomate o la zanahoria. - Leucoplastos: incoloros (sin pigmentos) Se encuentran en las partes no verdes de la planta. Algunos elaboran y almacenan granos de almidón y se llaman amiloplastos, por ejemplo, en las células de la patata. Otros acumulan aceites (oleoplastos) o proteínas (proteoplastos). IES Alfonso II 111 BIOLOGÍA Célula: los cloroplastos Aquí hay la microfotografía (X 32.000) de un cloroplasto donde puedes intentar reconocer cada una de las partes que has estudiado (rp es un entramado de tubos contorneados que se forman por invaginación de la membrana interna de la envoltura, se llama retículo periférico y sólo está presente en algunos cloroplastos). En el siguiente esquema se relacionan las fases luminosas con la fase oscura o biosintética para el supuesto de la síntesis de una molécula de glucosa. 112 IES Alfonso II BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción TEMA 12: ESTRUCTURA Y FISIOLOGÍA CELULAR: EL NÚCLEO. LA REPRODUCCIÓN. LOS CICLOS BIOLÓGICOS Introducción. El núcleo celular. El núcleo interfásico. El núcleo en división: los cromosomas. El ciclo celular: Interfase; Mitosis; Meiosis. La reproducción: tipos. Gametogénesis. Los ciclos biológicos. 1. INTRODUCCIÓN El núcleo celular contiene la información genética, es decir, la información necesaria para que se puedan realizar todas las funciones celulares. La transmisión de la información genética desde los ascendientes hasta los descendientes y de una generación celular a la siguiente se realiza a través del núcleo. Es en el núcleo donde se realiza el proceso de replicación o duplicación del ADN (estudiado en el tema 6). También se dan en el núcleo los procesos de síntesis de todos los tipos de ARN, por ejemplo la síntesis del ARNm o transcripción de la información genética. Esa información transcrita desde el ADN hasta el ARNm, se traducirá después en el citoplasma celular, con la colaboración de los ribosomas, dando lugar a las proteínas y por lo tanto a los enzimas (responsables de todos los procesos metabólicos. 2. EL NÚCLEO CELULAR El núcleo es una estructura característica de las células eucarióticas. Durante el ciclo vital de la célula el núcleo se encuentra, o en aparente reposo, durante la interfase, o participando activamente en la formación y reparto de los cromosomas a las células hijas, durante la división celular. En el primer caso (durante la interfase) al contrario de lo que podría parecer, es cuando se realizan la mayoría de las actividades metabólicas nucleares. El núcleo tiene diferente estructura durante la interfase y durante la división celular; por ello se estudia por separado. 3. EL NÚCLEO INTERFÁSICO 3.1. CARACTERÍSTICAS Aspecto: aparece como una vesícula de gran tamaño, que se destaca del citoplasma y se encuentra separada de él por una doble membrana: la envoltura nuclear. El contenido, observado al microscopio óptico, es más o menos homogéneo, salvo por la presencia de unas pequeñas esferas esponjosas y brillantes que son los nucléolos. Número: Normalmente las células son uninucleadas. Sin embargo existen numerosas excepciones: los protozoos ciliados, como el paramecio, tienen dos núcleos con tamaño, forma y funciones diferentes; el macronúcleo y el micronúcleo; las fibras musculares estriadas y los osteoclastos presentan numerosos núcleos; también es frecuente encontrar numerosos núcleos en las células cancerosas; células muy especializadas como los glóbulos rojos de los mamíferos, carecen de núcleo. Posición: suele ser central, aunque en las células vegetales suele estar desplazado, debido al tamaño de las vacuolas. Forma: La forma del núcleo está relacionada con la forma de la célula; así las células isodiamétricas suelen tener núcleo esférico, las células aplanadas núcleos discoidales, las células alargadas núcleo elíptico, etc. Ciertos tipos de células, como algunos glóbulos blancos, tienen núcleos muy irregulares. Tamaño: La relación del tamaño del núcleo con el tamaño del citoplasma es bastante constante dentro del mismo tipo celular. En general las células indiferenciadas y las muy activas, tienen núcleos muy voluminosos. IES Alfonso II Camino Peláez 113 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción 3.2. ESTRUCTURA Observando el núcleo interfásico al microscopio electrónico se puede conocer su ultraestructura y diferenciar los siguientes elementos constituyentes: - La envoltura nuclear. Está formada por dos membranas directamente relacionadas con el REG, una membrana exterior y otra interior separadas por un espacio perinuclear que comunica con las cavidades del REG. Adosados al la cara hialoplasmática de la membrana exterior hay numerosos ribosomas, igual que en el resto del REG. En realidad, la envoltura nuclear proviene del REG: fragmentos del REG en forma de casquetes esféricos se ajustan rodeando al material nuclear. La envoltura nuclear no es continua; está atravesada por multitud de poros de 500 a 700 Å de diámetro. Estos poros se distribuyen geométrica y regularmente por toda la superficie nuclear y poseen una complicada estructura proteica. Cada poro está formado por 8 partículas esféricas de naturaleza proteica que lo tapizan, y otra gran partícula proteica que, situada en el centro, hace las veces de tapón. Con todo esto, el espacio que queda practicable es de unos 250 Å y puede ser abierto o cerrado por la proteína globular “tapón” situada en el centro. Los poros permiten el paso de grandes moléculas (como el ARNm) e impiden que se den diferencias osmóticas entre el interior del núcleo y el citoplasma. En la cara interior de la membrana interna (cara nuclear) se encuentra adosada una estructura, también proteica, que recibe el nombre de lámina nuclear y que, con un espesor de entre 150 y 500 Å, tapiza todo el interior del núcleo. La lámina nuclear está directamente anclada en las proteínas de la membrana y está relacionada con la organización y desorganización de la envoltura nuclear a partir del REG. - El nucleoplasma: Es el contenido nuclear indiferenciado. Puede llamarse también jugo nuclear o carioplasma. Se trata de un coloide en estado de gel con composición química muy parecida a la del hialoplasma pero sin microtúbulos ni microfilamentos. Está formado por agua, proteínas, ARN, iones, y otros principios inmediatos necesarios para las actividades fisiológicas que en él se realizan (duplicación del ADN, síntesis de los diferentes ARN, etc.). 114 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción - La cromatina. Está constituida fundamentalmente por ADN, proteínas y algo de ARN. La cromatina está estructurada en elementos individuales llamados cromosomas. Los cromosomas son constantes en número y forma para cada especie y pueden encontrarse en distintos grados de condensación o estructuración según el momento metabólico de la célula. Durante la interfase es cuando se encuentran más desespiralizados o relajados y reciben el nombre de cromosomas interfásicos. En otras fases del ciclo celular se encuentran en distintos grados de espiralización: son los cromosomas profásicos, metafásicos, etc. La cromatina es el conjunto de todos los cromosomas interfásicos de una célula. Un cromosoma interfásico está formado por una larga fibra nucleosómica: una molécula de ADN en collar de perlas (100 Å) o en solenoide (300 Å). En la cromatina se aprecian, de vez en cuando, una especie de grumos puntuales que se tiñen fuertemente con colorantes básicos; son los cromocentros. También hay otras zonas extensas que se tiñen fuertemente, y constituyen la heterocromatina o cromatina densa, alternando con zonas más claras que se tiñen menos y forman la eucromatina o cromatina difusa: - La eucromatina es la cromatina funcional; está poco condensada porque presenta una gran actividad de transcripción. - La heterocromatina presenta mayor grado de empaquetamiento, ya que su actividad de transcripción es baja o nula; su ADN es inactivo (a partir de él no se transcriben proteínas). Un caso de inactivación génica es el que se da en uno de los cromosomas sexuales (XX) de las células de las hembras de los mamíferos; la inactivación es al azar, por lo que ambos cromosomas van a expresar sus genes, pero no en la misma célula; por ello en el núcleo interfásico de las células de las hembras de los mamíferos se aprecia un cuerpo denso llamado corpúsculo de Barr (o cromatina sexual). Además de las histonas que forman parte de los nucleosomas, forman parte de la cromatina otras proteínas que son contráctiles y están relacionadas con la fuerte condensación que transforma los cromosomas interfásicos en cromosomas metafásicos. Los extremos de las fibras cromatínicas o cromosomas interfásicos se encuentran fijos a la lámina nuclear, particularmente en la periferia de los poros, lo que trae como consecuencia que la cromatina se presente en general como grandes masas asociadas a la envoltura nuclear. - Los nucléolos son orgánulos densos esféricos, brillantes y esponjosos, que no poseen ningún tipo de membrana que los separe del carioplasma. Son visibles incluso al microscopio óptico; su tamaño oscila entre 1 y 3 de diámetro. Los nucléolos, como se ha estudiado en el tema 6, están formados por un poco de ADN, mucho ARN y proteínas: en estos orgánulos es dónde se realiza la síntesis de los ARNr y el ensamblaje inicial de proteínas y ARNr para formar las subunidades ribosómicas. Su número y tamaño no son constantes y dependen del estado metabólico o funcional de la célula, pero normalmente aparecen de uno a tres en cada núcleo. Cuando una célula entra en profase (va a dividir su núcleo), los nucléolos desaparecen (se desorganizan). Cada nucléolo aparece siempre asociado a un grumo de cromatina densa (cromocentro) que recibe el nombre de organizador nucleolar o NOR. Cuando la cromatina está condensada en forma de cromosomas, los NOR están situados en las inmediaciones de los satélites de algunos cromosomas (en la especie humana los organizadores nucleolares están en los extremos de los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22, llamados cromosomas nucleolares o cromosomas organizadores del nucleolo). 3.3. FISIOLOGÍA El núcleo, como portador de la información genética (ADN), es el centro que dirige todas las actividades celulares. (El ADN de otros orgánulos es insignificante comparado con el ADN nuclear). La actividad metabólica esencial del núcleo se da durante la interfase, en la que dirige el funcionamiento celular: tiene lugar la duplicación del ADN (replicación) y la síntesis de moléculas de ARN (transcripción ADN distintos tipos de ARN) que una vez en el citoplasma intervendrán en la formación de proteínas. Estos procesos (replicación y transcripción) se han estudiado en el tema 6 y conviene revisarlos ahora. IES Alfonso II Camino Peláez 115 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción 4. EL NÚCLEO EN DIVISIÓN: LOS CROMOSOMAS A partir de la cromatina y del nucleolo se originan unas estructuras, los cromosomas, visibles al microscopio óptico durante la división celular (mitosis o meiosis) especialmente durante la metafase. Simplificando mucho, un cromosoma está formado por un armazón interior de proteínas no histónicas sobre el que se pliega y repliega repetidas veces la estructura de solenoide del ADN (bucles, rosetas, etc: ver T.6). Los cromosomas tienen forma de bastoncitos más o menos alargados (en forma de J, de V o de punto más o menos esférico). Su tamaño es variable; los mas largos miden unas 30 µ de longitud (plantas: G.Trillium); en la especie humana su longitud varía entre 5 y 1,5 µ; los menores miden unas 0,2 µ (cromosomas puntiformes). Su anchura varía entre 0,2 y 2 µ. Cada especie tiene un determinado número de cromosomas y cada uno de esos cromosomas tiene un tamaño y morfología específicos, de tal manera que se puede diferenciar de todos los demás. Lo normal es que las células somáticas de animales y vegetales posean dos juegos completos de cromosomas diferentes, un juego heredado de la madre y otro heredado del padre. Estas células, que tienen su número de cromosomas duplicado, son células diploides o 2n (n es el número de cromosomas diferentes). Los cromosomas que son iguales y forman una pareja, se llaman cromosomas homólogos. En la especie humana, por ejemplo, 2n = 46; son 23 las parejas de cromosomas homólogos, dos juegos de 23 cromosomas cada uno de ellos. Las células sexuales, muchas esporas y las células de algunos organismos adultos (ej: algunos hongos) tienen un solo juego cromosómico; son células haploides o n. A veces se da el poliploidismo o poliploidía, aparecen más de dos series de cromosomas por célula: triploides (3n), tetraploides (4n), etc. El mejor momento para observar la morfología de los cromosomas es la metafase y en esta etapa de la vida celular presentan el siguiente aspecto: Cada cromosoma está constituido por dos cromátidas hermanas o idénticas, que se han formado por duplicación de una única molécula de ADN. Las dos cromátidas pueden estar enrolladas una sobre la otra o paralelas y se mantienen unidas por un estrechamiento llamado constricción primaria o centrómero. A nivel del centrómero cada cromátida presenta una especie de placa llamada cinetocoro, por la que el cromosoma se va a unir al huso acromático: a partir de esta placa se organizan los microtúbulos cinetocóricos, que van a controlar los desplazamientos de los cromosomas y de sus cromátidas durante la división celular. El centrómero divide al cromosoma transversalmente en dos brazos. A veces el cromosoma está doblado justo en este punto mientras que otras veces puede permanecer recto. Además de la constricción primaria o estrechamiento principal, que coincide con el centrómero, se pueden apreciar a lo largo del cromosoma otros estrechamientos o constricciones secundarias; los estrechamientos pueden ser tan pronunciados que una parte del brazo queda unida al resto por un filamento muy fino; entonces se dice que se trata de un satélite o SAT. En los satélites (junto a constricciones secundarias) es donde se localizan los organizadores nucleolares o NOR y sus posiciones pueden servir de marcadores en los análisis citogenéticos. Los extremos de cada uno de los brazos se llaman telómeros; son zonas muy sensibles a las mutaciones y su eliminación está relacionada con el envejecimiento celular. 116 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción Según la situación del centrómero se puede clasificar a los cromosomas en: - Metacéntricos, cuando los dos brazos tienen aproximadamente la misma longitud. - Submetacéntricos, cuando los brazos son de distinto tamaño pero no muy diferentes. - Acrocéntricos, cuando los brazos son de tamaño muy diferente. (Para muchos genetistas los submetacéntricos no existen o son una variedad de los acrocéntricos). - Telocéntricos, cuando el centrómero está en el telómero; por tanto sólo poseen un brazo. - Acéntricos, cuando carecen de centrómero. Cuando se tiñe la cromatina, unas zonas quedan más oscuras y otras más claras y uniformes (heterocromatina y eucromatina respectivamente). Esto mismo puede observarse en los cromosomas, de tal manera que cada cromosoma presenta un aspecto bandeado, con bandas claras y oscuras que se alternan y le dan un aspecto que se puede comparar con un código de barras; esto permite, junto con las demás características morfológicas estudiadas, diferenciar claramente cada cromosoma de todos los demás. Se llama cariotipo al número, forma y tamaño de los cromosomas de una determinada especie. La representación gráfica o fotográfica de las parejas de cromosomas homólogos, ordenados de mayor a menor, se denomina idiograma: los cromosomas metafásicos, observados al microscopio óptico, se pueden fotografiar, contar, medir y ordenar por su tamaño y por la posición del centrómero; así se elaboran los idiogramas. Al margen aparece el idiograma de una mujer. El estudio del cariotipo humano tiene gran interés en medicina porque algunas malformaciones congénitas se deben a anomalías cromosómicas que se pueden observar en los cariotipos: un cromosoma de más, uno de menos, un cromosoma incompleto, uno con un trozo repetido, etc. 5.- EL CICLO CELULAR El ciclo celular o ciclo vital de una célula es el período de tiempo que abarca desde que se forma una célula hasta que se divide dando lugar a dos nuevas células. Comprende dos etapas muy diferentes: - La división celular en la que se forman las dos células hijas a partir de la célula inicial. - La interfase o fase de crecimiento celular, que comprende el tiempo que transcurre entre dos divisiones sucesivas. LA INTERFASE Comprende tres subfases: G1, S y G2. La síntesis de proteínas y de ARN se produce a un ritmo constante a lo largo de toda la interfase, pero la síntesis de ADN (replicación) sólo se realiza durante el período S. - El período G1 comienza inmediatamente después de la división anterior; es un período de crecimiento general y de duplicación de los orgánulos citoplasmáticos. En esta fase los cromosomas se encuentran esparcidos por todo el interior del núcleo celular en forma de fibras de cromatina de 100 y de 300 Å (en estructura de "collar de perlas" o nucleosomas y de "solenoide"). A partir de los genes se sintetizan (por transcripción y traducción), según las necesidades metabólicas de la célula, las proteínas necesarias para que pueda crecer y realizar todas sus funciones vitales. - El período S se caracteriza por la síntesis de ADN o replicación; las moléculas de ADN se abren (burbujas u ojos de replicación) y se produce su duplicación (ver tema 6). Así, cuando la célula se divida de nuevo, sus células hijas recibirán una copia de todo su material genético. Al mismo tiempo se siguen transcribiendo los genes necesarios para sintetizar las proteínas que precise la célula. Durante esta fase, en las células animales, también se duplican los centriolos: primero se separan un poco y a continuación, cerca de la base de cada uno y perpendicularmente, empiezan a polimerizarse los microtúbulos del nuevo centriolo. Los dos pares de centriolos permanecen incluidos dentro de un único centrosoma hasta el comienzo de la división del núcleo. IES Alfonso II Camino Peláez 117 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción - El período G2 es el período anterior a la división celular; en él la célula continúa creciendo y realizando procesos metabólicos; también se forman proteínas que se usarán en la división celular. Las fibras cromatínicas (moléculas de ADN) ya están duplicadas, por lo que cada cromosoma estará formado por dos cromátidas (dos moléculas de ADN) unidas a nivel del centrómero. La duración de los períodos G1, S, G2 y de la división celular es muy variable y depende de la especie celular y de las condiciones fisiológicas en que se encuentre. Cuando una célula no va a reproducirse más, por ejemplo las neuronas u otras células que realizan una intensa actividad metabólica y se diferencian y especializan en una determinada función, entra en el llamado período G0 que consiste en una especie de G1 permanente. LA DIVISIÓN CELULAR Durante la división celular (casi siempre mitosis y en ciertos casos meiosis) se detienen todos los procesos de biosíntesis y se realizan dos procesos: la cariocinesis o división del núcleo y la citocinesis o división del citoplasma. Normalmente a cada cariocinesis le sigue una citocinesis pero a veces no ocurre esto y se forman células con dos o más núcleos. A continuación se representan las transformaciones que sufre una molécula de ADN a lo largo de todo el ciclo celular, algo así como el ciclo del ADN, cuando la célula se divide por mitosis: - Se parte de una molécula de ADN, una fibra cromatínica de 100 o 300 Å (período G1 de la interfase). En el período S se duplica dando lugar a dos cromátidas hermanas que, en un principio, aparecen unidas punto por punto de tal manera que tienen el aspecto de una fibra sencilla. Sobre todo se mantienen unidas por la zona del centrómero (período G2). Al mismo tiempo permanecen asociadas a la lámina de la envoltura nuclear. - Al entrar la célula en mitosis (M), estas fibras cromatínicas se condensan hasta el estado de cromosomas metafásicos. Los cromosomas metafásicos son dobles, están formados por las dos cromátidas hermanas (que son idénticas pero que no son la una copia de la otra: replicación semiconservativa del ADN) - En los primeros momentos de la anafase, se separan para dar lugar a los cromosomas anafásicos, formados por una sola cromátida cada uno de ellos. -En la telofase los cromosomas se descondensan y vuelven al estado de fibras cromatínicas (período G1 de la siguiente interfase). Estas fibras recomienzan el ciclo y volverán a duplicarse durante el período S. 118 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción La división o reproducción celular supone, por tanto, que una célula, la célula madre, se divide en dos; la célula madre desaparece como tal y aparecen las células hijas. Hay dos formas fundamentales de división celular: - Mitosis: las células hijas reciben el mismo número y tipo de cromosomas que tenía la célula madre. - Meiosis: es una forma de división en que se reduce el número de cromosomas; la célula madre es diploide y las células hijas son haploides (las células hijas reciben un sólo cromosoma de cada pareja de cromosomas homólogos de la célula madre). 6. LA MITOSIS La mitosis comienza cuando la célula está al final de un período G2 y por lo tanto ya tiene duplicado todo su material genético: cada molécula de ADN se ha duplicado formándose las dos cromátidas hermanas. Los centriolos también se han duplicado o están en proceso de duplicación. Aunque se trata de un proceso continuo, la mitosis se divide, para su estudio, en cuatro fases fundamentales: profase, metafase, anafase y telofase. PROFASE: es la fase más larga y a su vez se puede dividir en dos subfases: a) PROFASE TEMPRANA: antes de la desaparición de la envoltura nuclear. Cuando se inicia, el núcleo aumenta de tamaño (cambia la permeabilidad de su envoltura permitiendo que penetren sustancias líquidas del citoplasma) y la célula animal tiende a tomar forma esférica por pérdida de su citoesqueleto (que se despolimeriza dejando libres sus proteínas constitutivas que van a formar, más adelante, el huso acromático). (En la célula vegetal la pared celular no permite el cambio de forma). En el interior del núcleo se observa la desaparición (como tales) de los nucléolos y la condensación progresiva de la cromatina para dar lugar a los cromosomas. Cada cromosoma está constituido por dos cromátidas asociadas por el centrómero; la región del centrómero (constricción primaria) se hace más evidente a medida que avanza la profase y en ella se diferencian los esbozos de los cinetocoros cromosómicos. Mientras esto ocurre en el núcleo, en el citoplasma de las células animales los dos pares de centriolos (diplosomas) comienzan a separarse progresivamente desplazándose hacia polos opuestos. Entre ambos diplosomas se polimerizan un conjunto de microtúbulos que constituyen una estructura llamada aparato mitótico o huso acromático o huso mitótico bipolar. Algunos microtúbulos van, sin solución de continuidad, desde un polo hasta el opuesto pero la mayoría van sólo hasta un poco más allá del ecuador del huso. En las células vegetales (que carecen de centriolos) la formación de los microtúbulos que constituyen el huso acromático se realiza a partir de dos zonas (centros organizadores de microtúbulos) que se diferencian cerca de los polos opuestos de la célula. Estos husos sin centriolo son anastrales, están menos centrados en los polos. b) PROFASE TARDÍA O PREMETAFASE: después de la desaparición de la envoltura nuclear. A medida que van condensándose los cromosomas, la envoltura nuclear se desintegra y confunde con el retículo endoplasmático. Entonces se considera que comienza la premetafase o profase tardía. La envoltura nuclear desaparece totalmente, los cinetocoros terminan su formación y los cromosomas, totalmente condensados, quedan libres en el hialoplasma. Los cinetocoros, que también son centros organizadores de microtúbulos, comienzan a emitir unos microtúbulos llamados fibras cromosómicas o cinetocóricas que se alargan progresivamente hacia los polos del huso acromático. Los cromosomas se orientan entonces de tal manera que cada uno de sus cinetocoros mira hacia un polo opuesto del huso. Los cromosomas, posiblemente arrastrados por los microtúbulos cinetocóricos, se desplazan hacia el huso hasta que los microtúbulos del huso y los cinetocóricos se imbrican dejando a los cromosomas sobre el huso acromático, relacionados con éste por su cinetocoro. METAFASE Se considera que la célula está en metafase cuando los cromosomas, desplazándose, se sitúan exactamente en el ecuador del huso. Se disponen formando la llamada placa metafásica o placa ecuatorial o estrella madre. Es el momento más adecuado para la observación de los cromosomas. IES Alfonso II Camino Peláez 119 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción Al principio de la metafase las cromátidas hermanas se mantienen más o menos juntas y puede resultar difícil darse cuenta de la duplicidad del cromosoma pero a medida que avanza la metafase se observa perfectamente que cada cromosoma es doble, las cromátidas gemelas tienden a separarse y al final quedan unidas solamente por el centrómero. La separación de las cromátidas progresa hasta que el centrómero se rompe en dos. En este momento termina la metafase y comienza la anafase. ANAFASE Se caracteriza por un alargamiento de los microtúbulos acromáticos que determinan un alargamiento general del huso y un acortamiento de los microtúbulos cinetocóricos (por despolimerización). Ambos fenómenos son responsables de la separación definitiva de las cromátidas (cromosomas hijos) y su desplazamiento a lo largo del huso y hacia los polos opuestos de la célula. Al desplazarse cada cromosoma hijo, sus brazos se retrasan formando estructuras en V con los vértices dirigidos hacia los polos. La anafase finaliza cuando las cromátidas o cromosomas hijos llegan a las proximidades de los polos de la célula; a cada polo llega una cromátida de cada cromosoma. TELOFASE Comienza cuando cada grupo de cromátidas llega a su polo correspondiente. Se caracteriza por la reconstrucción de los núcleos de las dos células hijas, que adquieren poco a poco su aspecto interfásico: los cromosomas hijos pierden su estado de condensación, se alargan y desenrollan originando la cromatina; reaparecen los nucleolos y se reorganizan las envolturas nucleares de los núcleos hijos a cargo de fragmentos del retículo endoplasmático. Los microtúbulos cinetocóricos desaparecen y los que quedan del huso se agrupan en haces y pierden su conexión con los polos, mientras continúa su despolimerización. Mitosis en células de la punta de la raíz de Lilium regale: a) interfase, b) profase temprana, c) premetafase o profase tardía, d) metafase, e) anafase, f) telofase. 120 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción MECANISMO DE LA MITOSIS. El origen de las fuerzas que arrastran a los cromosomas así como el mecanismo general de la mitosis todavía no se conoce muy bien. No obstante se sabe que formando parte del huso acromático se encuentran microfilamentos contráctiles constituidos por proteínas como la actina, la miosina y la dineína; también han sido aisladas en esta zona enzimas ATP-asas que proporcionarían la energía necesaria. Los microtúbulos del huso harían el papel de guías sobre las que se desplazarían los cromosomas y las proteínas contráctiles que los arrastrarían; la polimerización y despolimerización de los microtúbulos controlaría el desplazamiento de los cromosomas durante la anafase. Los microtúbulos del huso también serían los responsables de la desorganización y reorganización de las envolturas nucleares. CITOCINESIS Normalmente la división del núcleo o cariocinesis va acompañada de la del citoplasma o citocinesis o división del citoplasma. En caso contrario, como ocurre por ejemplo en algunos hongos, se forma una masa de células no separadas por membranas plasmáticas (algo así como una gran célula plurinucleada); esta formación multicelular recibe el nombre de plasmodio. La citocinesis normalmente se inicia ya al final de la anafase, de tal manera que se solapa en parte con la telofase. El proceso es distinto en células animales y vegetales: En las células animales comienza con la aparición de un estrechamiento, a la altura del ecuador del huso acromático, que se denomina surco de segmentación. Esta estrangulación se produce gracias a la acción de proteínas contráctiles que, ligadas a la membrana plasmática, forman un anillo contráctil que se va cerrando progresivamente, hasta dividir la célula en dos. La citocinesis en las células vegetales es diferente, ya que su rígida pared celular impide la formación del surco de segmentación. En el plano ecuatorial de la célula madre se disponen una serie de vesículas, originadas a partir de los dictiosomas del aparato de Golgi, que fusionan sus membranas entre si y con la membrana plasmática para formar un tabique único de separación entre las dos células hijas denominado fragmoplasto. La división no es completa; entre ambas células hijas subsisten finos puentes citoplasmáticos, los plasmodesmos. Las cavidades del fragmoplasto contienen pectina, que queda entre ambas células formando la lámina media; a ambos lados de ésta cada célula fabricará su propia pared de celulosa. Los plasmodesmos permiten que las células vegetales vecinas puedan comunicarse a pesar de la pared de celulosa que cubre sus membranas plasmáticas. SIGNIFICADO BIOLÓGICO DE LA MITOSIS -A nivel genético: es un proceso en el que se consigue un reparto equitativo e idéntico de la información genética. Las células hijas reciben exactamente el mismo número y tipo de cromosomas que tenía la célula madre; su información genética será idéntica cualitativa y cuantitativamente, entre ellas e igual a la que poseía la célula madre. Por ello todas las células de un organismo pluricelular, formadas por sucesivas mitosis a partir del zigoto, o todos los seres unicelulares formados a partir de una célula inicial, tienen la misma información genética. -A nivel celular: es un proceso de reproducción que perpetúa la estirpe celular, es decir, la célula se reproduce formándose células genéticamente idénticas (clones). -A nivel orgánico: en los seres pluricelulares este proceso permite el crecimiento y el desarrollo del organismo así como la reparación y regeneración de tejidos y órganos. Considerando que un organismo pluricelular se ha formado por mitosis sucesivas a partir de una célula inicial (el huevo o zigoto), se puede concluir que todas las células de dicho organismo tienen la misma información genética; una excepción son las células sexuales, que se forman por un proceso diferente: la meiosis. En los seres unicelulares la mitosis equivale a la reproducción. IES Alfonso II Camino Peláez 121 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción 7. LA MEIOSIS Es un complejo proceso de división celular muy especial, que está íntimamente ligado con la sexualidad. La meiosis consiste en dos divisiones celulares sucesivas con una única duplicación del ADN y en las que, por tanto, sólo una vez se separan las dos cromátidas de cada cromosoma (cromosomas hijos): a partir de una célula madre diploide o 2n (con dos juegos cromosómicos completos) se originan cuatro células hijas haploides o n (con un sólo juego de cromosomas). Por tanto, el objetivo fundamental de la meiosis es la reducción a la mitad del número de cromosomas para que la ley de la constancia del número de cromosomas de una especie no se vea alterada por los procesos de reproducción sexual. Otro objetivo que se cumple con la meiosis es establecer reestructuraciones en los cromosomas homólogos mediante intercambios de material genético, en un proceso que se realiza durante la primera profase meiótica llamado entrecruzamiento, sobrecruzamiento o crossing-over. DESARROLLO DE LA MEIOSIS Las dos divisiones celulares se denominan primera y segunda división meiótica (o I y II); cada una comprende las cuatro fases propias de la división celular (profase, metafase, anafase y telofase) y están separadas por un corto periodo de interfase. PRIMERA DIVISIÓN PROFASE I Es un largo y complejo proceso en el que los cromosomas homólogos se emparejan e intercambian ADN; en él suelen distinguirse cinco subfases: leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno y diacinesis. Leptoteno: comienza como una profase normal con desaparición de los nucleolos y la condensación progresiva de los cromosomas, que aparecen como largos filamentos con granulaciones de trecho en trecho; se encuentran unidos por sus extremos a la lámina fibrosa nuclear mediante placas de unión de naturaleza proteica y cada uno está formado por dos cromátidas, tan estrechamente unidas, que no se podrán diferenciar hasta el final de la profase. Zigoteno: se inicia el emparejamiento de los cromosomas homólogos; cada cromosoma se aparea gen a gen con su homólogo, en toda su longitud; este fenómeno se denomina sinapsis. El apareamiento es posible gracias a la formación de una estructura proteica llamada complejo sinaptonémico. Paquiteno: las cromátidas continúan acortándose y haciéndose más gruesas; ya se puede observar que cada cromosoma está formado por sus dos cromátidas. Cada pareja de cromosomas homólogos se denomina bivalente (dos cromosomas) o tetrada (cuatro cromátidas). Durante esta fase, en algunos puntos de las cromátidas homólogas se producen roturas transversales al mismo nivel, que van seguidas de un intercambio de segmentos de ADN y de una fusión de los mismos; las nuevas cromátidas están formadas por fragmentos que pertenecían a los dos cromosomas homólogos. Este intercambio de material genético recibe el nombre de entrecruzamiento, sobrecruzamiento o crossing-over y consigue mezclar de manera definitiva los genes heredados del padre y de la madre (recombinación). Diploteno: los cromosomas homólogos inician su separación. Los últimos puntos en separarse son los que corresponden a los lugares donde ha habido sobrecruzamientos; estos puntos en que las cromátidas aparecen entrecruzadas se denominan quiasmas (se aprecian como una especie de "X" , como puede verse en el esquema al margen). En cada bivalente suelen aparecer uno o varios quiasmas dependiendo del número de sobrecruzamientos que se hayan producido a lo largo del mismo. 122 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción Diacinesis: continúa la separación de los bivalentes y a medida que se separan, sus quiasmas se desplazan hacia los extremos (las cromátidas homólogas permanecen unidas por quiasmas terminales hasta la metafase). Las cromátidas están muy condensadas; ya son casi metafásicas. La envoltura nuclear desaparece completamente, los centriolos (en las células animales) están separados y entre ellos ya se ha formado el huso acromático. Los microtúbulos cinetocóricos comienzan a colocar a las tétradas sobre el huso acromático. METAFASE I Los bivalentes se disponen sobre el ecuador del huso acromático de tal forma que los cinetocoros de cada pareja de cromátidas hermanas se orientan hacia el mismo polo, que será el opuesto hacia el que se orienten los cinetocoros de la pareja homóloga de cromátidas hermanas. Este proceso recibe el nombre de coorientación y es muy importante para el correcto desarrollo de la meiosis, pues determina que, en cada bivalente, uno de los cromosomas se separe de su homólogo asegurando la reducción cromosómica, es decir, el paso de diploide (2n) a haploide (n). ANAFASE I La disposición de los cinetocoros determina que, durante esta fase, emigren hacia polos opuestos cromosomas completos, cada uno con sus dos cromátidas, y que por lo tanto se separen las parejas de cromosomas homólogos: de cada bivalente o tetrada un cromosoma va hacia cada polo de la célula (hacia cada polo van n cromosomas, una serie haploide completa). Además, las dos cromátidas de cada cromosoma no son absolutamente idénticas porque han sufrido un proceso de recombinación de genes durante los sobrecruzamientos en la fase de paquiteno. Se ha realizado, por lo tanto, una reducción del número de cromosomas y una reestructuración de los genes en cada cromátida. TELOFASE I Es similar a la telofase mitótica: se reorganizan los dos núcleos hijos, aunque a veces no aparece el nucleolo y generalmente se produce la citocinesis (división del citoplasma) acompañando a la cariocinesis (división del núcleo). Al final de la primera división meiótica se han formado dos células hijas, cada una de ellas con la mitad de los cromosomas de la célula madre, pero no una mitad cualquiera sino una serie haploide completa: cada célula hija ha recibido n cromosomas, cada uno de ellos con dos moléculas de ADN o cromátidas. INTERFASE Su duración es variable, pero en general se trata de un periodo corto, que incluso puede faltar por completo. En cualquier caso y aunque haya una breve interfase entre una división meiótica y la siguiente, nunca se duplica el ADN, pues tras la primera división meiótica cada cromosoma conserva sus dos cromátidas: se trata de una interfase sin período S. SEGUNDA DIVISIÓN Es similar a una mitosis. Su principal característica es que la profase II es corta y en ella se hacen visibles los n cromosomas con sus cromátidas separadas, formando un aspa. En la metafase II los cromosomas de las células hijas forman la placa ecuatorial; en la anafase II se separan las n cromátidas de cada cromosoma (las cromátidas hermanas recombinadas), emigrando a su respectivo polo celular y en la telofase II se separan las células hijas (citocinesis). La diferencia con las otras divisiones estudiadas es que en la segunda división meiótica se separan n cromátidas hermanas recombinadas mientras que en la mitosis se separan 2n cromátidas hermanas y en la primera división meiótica se separan n cromosomas homólogos, cada uno de ellos con sus dos cromátidas. El resultado de las dos divisiones meióticas es la formación de cuatro células haploides a partir de una célula madre diploide. IES Alfonso II Camino Peláez 123 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción Meiosis y formación de granos de polen en Lilium regale. Primera división: a) leptotena, b) zigotena, c) paquitena, d) diplotena, e) diacinesis, f) metafase I, g) anafase I temprana, h) anafase I tardía. (Para mayor simplicidad, los quiasmas múltiples se han dibujado sólo sobre dos cromátidas. En realidad, pueden estar implicadas las cuatro cromátidas). SIGNIFICADO BIOLÓGICO DE LA MEIOSIS. - A nivel genético: el sobrecruzamiento da lugar a nuevas combinaciones de genes en los cromosomas. Gracias a este proceso se produce la mezcla del material genético heredado de los progenitores (recombinación), pues cada uno de los cromosomas que resultan de la meiosis ya no es como el del padre o de la madre, sino una mezcla de ambos, resultado de la recombinación genética por sobrecruzamiento. Tanto el sobrecruzamiento como el reparto de cromosomas y cromátidas entre las células hijas dependen del azar y son responsables de que cada una de las cuatro células hijas resultantes de una meiosis sea única porque posee una colección de genes exclusiva. Estas colecciones de genes se verán sometidas a las presiones de la selección natural, de tal forma que sólo se perpetuarán las mejores. Por lo tanto, la meiosis es una de las fuentes más importantes de variabilidad genética. 124 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción - A nivel celular: se reduce el número de cromosomas; a partir de una célula diploide se originan células haploides. - A nivel orgánico: las células haploides que resultan de la meiosis se van a convertir en células reproductoras: sexuales como son los gametos o asexuales como son las esporas. La meiosis es un mecanismo directamente implicado en la formación de gametos o esporas haploides que son imprescindibles para que mantengan constante su número de cromosomas característico las especies que en algún momento de su ciclo se reproducen sexualmente (por ejemplo, en la fecundación se unen dos gametos haploides y se origina un zigoto diploide). Por otra parte, en los organismos con cromosomas sexuales diferentes, la meiosis está implicada en la determinación del sexo. Meiosis y formación de granos de polen en Lilium regale. Segunda división: i) telofase I, j) Interfase, k) profase II, l) metafase II, m) anafase II, n) telofase II, o) una tétrada (cuatro células), p) granos de polen jóvenes Ahora, como complemento a lo estudiado, suponiendo una célula 2n = 4, haz un esquema de las siguientes fases: Anafase mitosis, Metafase mitosis, Anafase I, Metafase I, Anafase II, Metafase II, IES Alfonso II Camino Peláez 125 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción COMPARANDO MITOSIS CON MEIOSIS: MEIOSIS MITOSIS Significado a nivel genético: Segregación al azar de los cromosomas homólogos Reparto exacto del material genético y sobrecruzamiento como fuente de variabilidad genética. Significado a nivel celular: Se forman células genéticamente iguales (clones) Se reduce el número de cromosomas de 2n a n Significado a nivel de organismo: Se da en organismos unicelulares con reproducción Se da en la aparición de las células sexuales: asexual y en pluricelulares para el desarrollo, formación de los gametos para que sea posible la fecundación y el origen de un nuevo ser o crecimiento y reparación de tejidos. formación de esporas. En cuanto al proceso: - Tiene lugar una sola división celular, sólo se - Tienen lugar dos divisiones sucesivas, se forman cuatro células hijas (la primera división es forman dos células hijas. reduccional, la segunda mitótica). - En la profase no hay apareamiento entre - En la profase I hay apareamiento de cromosomas homólogos con posible sobrecruzamiento e cromosomas homólogos. intercambio génico. - En la metafase se forma una placa metafásica - En la metafase I se forma una placa metafásica doble. sencilla. - En la anafase se separan cromátidas hermanas - En la anafase I se separan cromosomas completos. No se divide el centrómero. (cromosomas hijos). Se divide el centrómero. 8. LA REPRODUCCIÓN 8.1. CONCEPTO Y TIPOS La reproducción es una cualidad esencial de los seres vivos, mediante la cual, los individuos existentes engendran nuevos individuos semejantes a ellos mismos, perpetuando de este modo la especie y la vida. Puede decirse que es una expansión de la materia viviente en el espacio y en el tiempo. La reproducción puede considerarse desde dos puntos de vista: reproducción celular (o división celular) y reproducción de los organismos. En los seres unicelulares la reproducción celular coincide con la reproducción del organismo. En los pluricelulares la reproducción celular contribuye al crecimiento y desarrollo del ser vivo y sirve para reemplazar a las células que mueren, mientras que la reproducción del organismo es realizada por una o varias células del mismo, y también está relacionada con los procesos de reproducción celular que son básicos para la reproducción y el desarrollo de los seres vivos. Los modelos reproductivos varían mucho de unas especies a otras. Simplificando se pueden considerar dos modalidades básicas: asexual y sexual. - En la reproducción asexual un único organismo produce copias idénticas de sí mismo, separando de su cuerpo una célula o un grupo de células. Existen varios tipos de reproducción asexual: Bipartición, Pluripartición, Gemación, Escisión o fragmentación, Esporulación, Regeneración. - En la reproducción sexual, dos células diferenciadas, llamadas gametos, formadas por meiosis, que provienen generalmente de dos progenitores diferentes, se fusionan formando una célula única o zigoto que por sucesivas mitosis va a dar lugar a un individuo completo. - Hay especies en cuyo ciclo biológico alterna la reproducción sexual con alguna modalidad de reproducción asexual. Este tipo de modalidad reproductiva se denomina reproducción alternante. La reproducción sexual es la más común en los seres vivos; solamente en algunos organismos inferiores no se ha podido poner en evidencia alguna modalidad de reproducción sexual o al menos algún modelo de reproducción que permita la mezcla de diferentes informaciones genéticas. Hay muchos seres vivos que sólo se reproducen sexualmente, mientras que los que presentan reproducción asexual, lo hacen generalmente sin prescindir de la sexual. 126 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción 8.2. DIFERENCIAS FORMALES Y GENÉTICAS ENTRE REPRODUCCIÓN SEXUAL Y ASEXUAL Diferencias formales: - La reproducción asexual se lleva a cabo a partir de células somáticas. - En la reproducción sexual intervienen células germinales especializadas: los gametos. Diferencias genéticas: - Reproducción asexual: no produce variabilidad genética al existir sólo mitosis. - Reproducción sexual: produce variabilidad genética mediante la recombinación y distribución al azar de las cromátidas en la meiosis y mediante la fecundación. El otro mecanismo importante como fuente de variabilidad genética son las mutaciones o cambios (espontáneos o no) del material genético o ADN y éstas se producen por igual tanto en las especies que se reproducen sexualmente como en las que lo hacen asexualmente. 8.3. LA REPRODUCCIÓN SEXUAL La reproducción sexual se lleva a cabo mediante la fusión de dos células especializadas para este fin, los gametos, que proceden generalmente de dos progenitores diferentes. Implica la mezcla del material genético, lo que da lugar a la formación de individuos diferentes entre sí y diferentes a sus progenitores. Los gametos, funcionalmente han de ser de dos tipos distintos: - En algunos organismos (ej: algunas algas) ambos gametos son estructuralmente iguales; se dice que hay isogamia y a los gametos, llamados isogametos, se les denomina + y – . - En otros (casi todas las plantas y animales) los gametos son de aspecto diferente; se dice que hay anisogamia y a los gametos se les llama anisogametos. Los anisogametos son diferentes morfológica y fisiológicamente: uno de ellos es más pequeño y generalmente móvil, es el microgameto o gameto masculino; el otro es más grande y generalmente inmóvil, es el macrogameto o gameto femenino. Los gametos se forman en órganos especializados que reciben el nombre general de gónadas en los metazoos, y de gametangios en las metafitas. El proceso de formación de los gametos recibe el nombre general de gametogénesis e implica, casi siempre, un mecanismo reductor del número de cromosomas que es la meiosis y que asegura la constancia del número de cromosomas de la especie. - Los gametos masculinos (microgametos) en los vegetales se denominan anterozoides o núcleos espermáticos y los órganos en que se forman anteridios; en los animales se denominan espermatozoides y se forman en los testículos. - Los gametos femeninos (macrogametos) en los vegetales se denominan oosferas y los órganos en que se forman arquegonios; en los animales se denominan óvulos y se forman en los ovarios. La diferenciación morfológica y funcional de los gametos masculino y femenino supone una ventaja de la anisogamia sobre la isogamia desde el punto de vista de la adaptación y de la evolución, ya que se complementan en la realización de sus funciones logrando mayores posibilidades de supervivencia. La finalidad de la reproducción sexual no es exclusivamente el aumento del número de individuos de la especie, que se puede conseguir de manera mucho más efectiva por procesos asexuales, sino la mezcla del material genético para conseguir una variabilidad y una mejora continua de la dotación cromosómica de la especie y, de esta manera, una mejor adaptación a las posibles fluctuaciones del medio ambiente. De hecho los organismos inferiores como bacterias, protozoos y otros, aunque no se puede decir que se reproduzcan sexualmente, han desarrollado ciertos mecanismos para mezclar, y así enriquecer, su material genético, aunque esto no implique un aumento del número de individuos. Cuando la reproducción y la sexualidad van asociadas, es cuando se considera reproducción sexual propiamente dicha o reproducción gamética. La reproducción sexual supone los siguientes procesos: - Formación de gametos o gametogénesis. - Fecundación o fusión de la información genética contenida en los gametos para dar lugar a una única célula llamada zigoto (o cigoto). - Desarrollo del zigoto hasta formar un individuo adulto y completo. IES Alfonso II Camino Peláez 127 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción 9. LA GAMETOGÉNESIS EN METAZOOS La gametogénesis es el proceso por el cual las células indiferenciadas (2n) que forman el epitelio germinativo de las gónadas se transforman en gametos (n), mediante procesos que incluyen una meiosis. Los mecanismos de producción de espermatozoides reciben el nombre de espermatogénesis; la formación de gametos femeninos (óvulos) se denomina ovogénesis. (En algunas especies, inferiores evolutivamente, puede que no existan gónadas; en este caso, durante la época de reproducción, algunas células somáticas se modifican y dan lugar a los gametos). Esquema de la espermatogénesis Esquema de la ovogénesis 9.1. ESPERMATOGÉNESIS Los testículos están formados por un gran número de tubos seminíferos que están fuertemente enrollados. Estos tubos seminíferos están tapizados por un epitelio en el que se encuentran las células madre de los espermatozoides: las espermatogonias; son células diploides (2n cromosomas) que después de una serie de divisiones entre las que se encuentra una meiosis (ver esquema), van a dar lugar a los espermatozoides, que son haploides (n cromosomas). En el proceso de espermatogénesis se diferencian cuatro fases: - Fase de multiplicación o proliferación: las espermatogonias se multiplican activamente por mitosis formando más espermatogonias. - Fase de crecimiento: las espermatogonias (2n) aumentan de tamaño dando lugar a los espermatocitos de primer orden, también diploides. - Fase de maduración o meiótica: los espermatocitos de primer orden sufren una meiosis, con la consiguiente reducción a la mitad del número de cromosomas. El resultado de la primera división meiótica son dos espermatocitos de segundo orden, que ya son haploides pero sus cromosomas todavía son dobles (con dos cromátidas). Tras la segunda división de la meiosis se forman cuatro espermátidas, totalmente haploides. 128 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción - Espermiogénesis o fase de diferenciación: las espermátidas se transforman en espermatozoides funcionales. Durante esta fase: -Se elimina casi totalmente el citoplasma. -El núcleo ocupa la cabeza del espermatozoide que es la casi totalidad de su volumen. -Las vesículas del aparato de Golgi forman el acrosoma, que contiene enzimas imprescindibles para el proceso de fecundación, ya que rompen la envoltura protectora del óvulo. -El acrosoma se coloca en el ápice de la cabeza del espermatozoide y el par de centriolos en el polo opuesto, donde va a desarrollarse un largo flagelo. -Las mitocondrias se disponen en espiral y alrededor del extremo basal del flagelo; proporcionarán la energía necesaria para el movimiento del flagelo durante el desplazamiento del espermatozoide hacia el óvulo, pero no entran en él; (el ADN mitocondrial se hereda por vía materna). 9.2. OVOGÉNESIS En los ovarios existen unas células germinales denominadas ovogonias (diploides), a partir de las cuales se van a formar los óvulos. Existen variaciones según las especies, pero las fases generales del proceso son: - Fase de multiplicación o proliferación: las ovogonias (diploides) dan lugar a más ovogonias por mitosis. - Fase de crecimiento: Las ovogonias aumentan mucho de tamaño, originando ovocitos de primer orden también diploides. - Fase de maduración o meiótica: los ovocitos de primer orden sufren meiosis, lo que supone reducción cromosómica En la primera división el ovocito de primer orden da lugar a dos células de muy diferente tamaño, la grande es un ovocito de segundo orden (haploide) y la pequeña un corpúsculo polar (haploide); la diferencia de tamaño se debe a que el citoplasma se divide por gemación con el fin de acumular todo el citoplasma, con su material nutritivo, en una sola célula. En la segunda división meiótica el ovocito de segundo orden da lugar a una célula grande que es el óvulo (haploide) y otra pequeña que es un segundo corpúsculo polar. El primer corpúsculo polar puede originar dos nuevos corpúsculos polares pero al final todos los corpúsculos polares degeneran y no son útiles como gametos femeninos. (Por tanto, a diferencia de lo que ocurre con la espermatogénesis, en la ovogénesis a partir de un ovocito de primer orden sólo se forma un óvulo y no cuatro). El óvulo es una gran célula haploide que almacena sustancias nutritivas (vitelo). En la mayor parte de los animales existen otras membranas de gran espesor envolviendo a la membrana plasmática. En los mamíferos la fase de maduración se inicia en el embrión y se interrumpe en la profase I, permaneciendo así hasta llegada la madurez sexual. En ese momento, bajo influencia hormonal, el proceso continúa y se origina el ovocito de segundo orden y el corpúsculo polar. La segunda división de la maduración se inicia en el momento de la fecundación, al parecer activada por la llegada del espermatozoide, el ovocito de segundo orden se divide entonces, originando un segundo corpúsculo polar y el óvulo. 10. CICLOS BIOLÓGICOS. La reducción cromosómica meiótica tiene lugar en un determinado momento del ciclo biológico de las especies que desarrollan procesos sexuales. En función del instante en el que se produce la meiosis se distinguen tres tipos de ciclos biológicos: Haplontes, Diplontes y Diplohaplontes o Haplodiplontes. 10.1. CICLO DIPLONTE. Es el ciclo de la mayoría de los metazoos, incluida la especie humana; también se presenta en algunos grupos de algas y hongos. Todas las células del organismo son diploides excepto los gametos que son haploides. La meiosis se realiza durante la formación de los gametos, antes de la fecundación: en las gónadas, por meiosis, se originan gametos haploides (óvulos y espermatozoides). IES Alfonso II Camino Peláez 129 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción En la fecundación, la fusión de gametos haploides da lugar a un zigoto diploide que mediante sucesivas mitosis origina un individuo pluricelular. Desde el punto de vista evolutivo los seres diplontes son más estables, ya que todas las células, excepto los gametos, son diploides, y presentan doble información genética para cada carácter. Así, si una de las informaciones se deteriora, la otra puede permanecer funcional. Esquema ciclo diplonte Esquema ciclo haplonte 10.2. CICLO HAPLONTE. Es propio de muchos grupos de algas y hongos. Todo el organismo posee en sus células un número haploide de cromosomas; los gametos también son haploides (pero se originan a partir de otras células que ya son haploides, por tanto, para su formación no se reduce el número de cromosomas). La meiosis tiene lugar inmediatamente después de formarse el zigoto: mediante la fecundación se origina un zigoto diploide que sufre meiosis dando lugar a cuatro células haploides. Estas células se pueden denominar esporas sexuales y se convierten por mitosis sucesivas en adultos haploides. La diferencia con el ciclo anterior está en que cuando se cruzan dos adultos haploides sólo se produce meiosis una vez (después de la fecundación), mientras que en el ciclo diplonte los individuos diploides que se cruzan deben sufrir una meiosis cada uno (durante las gametogénesis). Genéticamente, los seres haplontes son mucho más inestables, pero al presentar mayores posibilidades de variabilidad genética, están dotados de una gran capacidad adaptativa. 10.3. CICLO DIPLOHAPLONTE. Se presenta en todas las metafitas (musgos, helechos y espermafitas), en numerosas algas y en algunos tipos de hongos. La meiosis está separada tanto de la fecundación como de la gametogénesis. El ciclo completo está compuesto de dos generaciones en alternancia cíclica: - Una (Generación esporofítica) representada por adultos diploides. - Otra (Generación gametofítica) representada por adultos haploides. Esquema ciclo diplohaplonte Un zigoto diploide origina un adulto diploide, el esporofito que se reproduce asexualmente por esporas. Las esporas son haploides; la meiosis se realiza durante el proceso de formación de esporas o esporogénesis. Cada espora, al germinar, origina un adulto haploide, el gametofito, se reproduce sexualmente por gametos. Los gametos también son haploides y tras la fecundación originan un zigoto diploide que dará origen a un nuevo esporofito. En los seres diplohaplontes se dan, por tanto: - Una alternancia de fases cromosómicas: haplofase (seres haploides) y diplofase (seres diploides). - Una alternancia de generaciones: una generación asexual, esporofito (diploide), y otra sexual, gametofito (haploide). 130 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción Desde el punto de vista evolutivo, en este ciclo se dan las ventajas de los seres haploides y diploides. Los esporofitos, al ser diploides, son formas genéticamente estables, mientras que los gametofitos, al ser haploides, son susceptibles de una gran variabilidad. En algunas ocasiones, la haplofase y la diplofase tienen una duración e importancia similares, pero en la mayoría de los casos predomina una fase sobre la otra. LAS PLANTAS SUPERIORES (ESPERMAFITAS): UN EJEMPLO DE CICLO DIPLOHAPLONTE Los individuos que se ven, los que producen flores, son esporofitos que producen esporas que se desarrollan sobre la propia planta para dar lugar a los gametofitos. Los gametofitos son muy pequeños y sólo se pueden ver con lupas o microscopios: los individuos masculinos (gametofitos masculinos) son los granos de polen con su tubo polínico desarrollado, los individuos femeninos son los sacos embrionarios que se forman en el interior de los ovarios de las flores. Ambos gametofitos se forman como consecuencia de la geminación de las esporas que se producen en las flores. Son, en cierto modo, parásitos del esporofito. En las anteras de los estambres se forman esporas 2n que, después de una meiosis, dan lugar a una tétrada de células n que maduran hasta transformarse en cuatro granos de polen. Durante esta etapa de formación, cada grano de polen sufre dos mitosis sucesivas para dar lugar al tubo polínico. Cada tubo polínico consta de cuatro células (o mejor cuatro núcleos), dos núcleos espermáticos que intervienen en la fecundación (tienen la categoría de anterozoides) y las otras dos las responsables del crecimiento del tubo. En los óvulos del ovario de la flor y a partir de una espora muy grande (megaespora) se forma el gametofito femenino o saco embrionario: la megaespora (2n) sufre la meiosis y da lugar a cuatro tetramegasporas, tres de las cuales degeneran dejando como única célula funcional a una monomegaspora haploide que madura hasta formar el saco embrionario. La maduración consiste en tres mitosis sucesivas que dan lugar a ocho núcleos: tres quedan cerca del micropilo (lugar por donde suele entrar el tubo polínico fecundador), las dos laterales son las sinérgidas y la central la oosfera, dos se quedan en el centro y serán los núcleos secundarios o células polares y las otras tres se quedan en la base del saco y las se llama células antípodas. Todos estos núcleos son haploides pero en la fecundación sólo intervienen los núcleos secundarios y la oosfera. Los núcleos secundarios se fusionan en uno solo, diploide, que es fecundado por uno de los dos núcleos espermáticos del tubo polínico para dar lugar al endospermo secundario que es triploide (3n) y cuya misión es nutritiva. El otro núcleo espermático fecunda a la oosfera y forma un zigoto 2n que, desarrollándose por sucesivas mitosis, dará lugar al embrión de la futura planta que será un nuevo esporofito similar al que inició el ciclo. IES Alfonso II Camino Peláez 131 BIOLOGÍA Célula: núcleo celular y reproducción Ejercicio (PAU, 2011): La figura representa el ciclo de división celular en eucariotas: a) Indique el nombre de las fases representadas por los números 1 a 7 b) Indique, mediante esquemas, en qué consiste la etapa de la meiosis equivalente a la número 4 de este esquema, y cada una de sus fases. c) Indique una diferencia entre la meiosis femenina y la masculina en humanos. d) ¿Cómo se denomina la fase en la que entran las células somáticas que no vuelven a dividirse? 132 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética TEMA 13: FLUJOS DE INFORMACIÓN EN LA CÉLULA: LA EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO. GENÉTICA Los ribosomas. La expresión del mensaje genético (transcripción y traducción). El código genético. Mecanismo de la traducción. Genética: concepto de gen y otros conceptos básicos. Herencia Mendeliana: leyes de Mendel. Otros tipos de herencia: genes ligados; series alélicas; genes letales; interacción génica; herencia multifactorial; herencia del sexo y herencia ligada al sexo. Árboles genealógicos. Regulación de la expresión génica: el operón. Mutaciones y agentes mutágenos; tipos de mutaciones. El cáncer: causas genéticas y ambientales. 1. LOS RIBOSOMAS Son los orgánulos funcionales donde se realiza la síntesis de las proteínas, es decir la expresión del mensaje genético, el flujo de información por excelencia, que va a controlar todas las vías metabólicas de la célula, todo lo que la célula va a ser (no hay que olvidar que los enzimas son proteínas). Los ribosomas fueron vistos por vez primera en 1953 por PALADE que los describió como partículas globulares de unos 100 a 200 Å de diámetro, que pueden estar libres en el hialoplasma, o asociados al REG, adosados a su cara hialoplasmática como ya se ha estudiado. También es frecuente que aparezcan asociados de dos en dos, o en grupos de 5 a 20 ordenados en fila y unidos mediante un ARNm (polisomas o polirribosomas). Esta última posibilidad es la que adoptan cuando están traduciéndolo el mensaje del ARNm a cadena peptídica; cuando se observa un polisoma en una célula, es que se están fabricando al mismo tiempo varias copias de una determinada proteína; cada ribosoma lee todo el ARNm y sintetiza una proteína completa. Cada ribosoma está formado por dos subunidades que normalmente están separadas, sólo se unen para leer el ARNm. En todos estos procesos de unión de subunidades ribosómicas o ribosomas para formar parejas y polisomas, es necesaria la presencia de iones Mg2+. Los ribosomas son complejos multimoleculares que carecen de membrana y cuya biogénesis comienza en los nucléolos, tal como se ha estudiado en el tema de los ácidos nucleicos. Tienen aspecto esponjoso y su contorno no está bien definido. Se conocen dos tipos de ribosomas que se clasifican por su tamaño: los ribosomas 70 S propios de las células procariotas, cloroplastos y mitocondrias; y los ribosomas 80 S (a veces son 85 S) propios de las células eucariotas: Subunidad mayor Composición química Ribosomas 70 S. Ribosomas 80 S. 70% agua, del 30% restante: el 40% son proteínas y el 60% ARN. 80% de agua, del 20% restante: el 50% son proteínas y el 50% ARN Tamaño 50 S Un ARNr 23 S de unos 3000 nn, con bases nitrogenadas metiladas Un ARN 5 S de unos 120 nn. Unas 34 proteínas Tamaño 60-65 S Un ARN 28 S de unos 5000 nn. Un ARN 5,8 S de unos 160 nn. Un ARN 5 S de unos 120 nn. Unas 45 proteínas diferentes. Subunidad menor Tamaño 30 S Un ARNr 16 S, de unos 1500 nn y bases nitrogenadas metiladas. Unas 21 proteínas diferentes. Tamaño 40 S Un ARN 18 S de unos 2000 nn. Unas 33 proteínas diferentes. En las subunidades menores las proteínas, fundamentalmente hidrófilas, se sitúan en la periferia del glóbulo mientras que en las subunidades mayores, aunque básicamente también se disponen en la periferia, existen algunas proteínas hidrófobas en la zona interna del orgánulo. Los ARNr se encuentran en el interior del ribosoma, pero aflorando al exterior en algunas zonas muy concretas. 2. LA EXPRESIÓN DEL MENSAJE GENÉTICO Y EL CÓDIGO GENÉTICO En 1948, Beadle y Tatum establecen el paralelismo entre genes y enzimas. En 1953 Watson y Crick formulan el modelo de doble hélice para el ADN, y Crick propone la llamada hipótesis de la colinearidad que establece una correspondencia entre la secuencia de nucleótidos del gen y la secuencia de aminoácidos del enzima por él codificado. En el mecanismo que pone en correspondencia ambas secuencias se diferencian dos procesos: - Transcripción: en el núcleo se pasa de la secuencia de bases nitrogenadas de un gen (ADN) a una secuencia de bases nitrogenadas complementarias de un ARNm. - Traducción: el ARNm pasa al citoplasma y a nivel de los ribosomas se pasa de la secuencia de ribonucleótidos de dicho ARNm a una secuencia de aminoácidos. IES Alfonso II Camino Peláez 133 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética TRANSCRIPCIÓN Es el paso de ADN a cualquier tipo de ARN, intervienen el ADN, ribonucleótidos trifosfatados de A, C, G y U; las ARN polimerasas, y enzimas. Este mecanismo es ligeramente diferente en bacterias y eucariotas y ya se ha estudiado en el tema de los ácidos nucleicos ¡¡ Es necesario recordarlo ahora de nuevo!! TRADUCCIÓN La estructura primaria del ARNm es complementaria de una de las cadenas de un fragmento de ADN y esta disposición de bases nitrogenadas en el ARNm es la que va a determinar la secuencia de los aminoácidos de la proteína. Crick demostró que la secuencia de los aminoácidos en las proteínas está codificada por la secuencia de los tripletes de bases nitrogenadas consecutivas de las cadenas del ARNm. Los ribosomas son los orgánulos que con la ayuda de los ARNt, hacen corresponder a la secuencia de bases nitrogenadas del ARNm, una secuencia de aminoácidos. Siempre se empiezan a encadenar aminoácidos a partir de un triplete de iniciación AUG del ARNm, complementario de la secuencia de iniciación TAC del ADN. Cada uno de los tripletes (grupos de 3 bases o de 3 nucleótidos) del ARNm recibe el nombre de codón, el triplete complementario en el ADN utilizado como molde es el codógeno y el triplete complementario en el ARNt es el anticodón. El ARNm es por lo tanto una secuencia de codones que por complementariedad con anticodones de los ARNt va a dar lugar a una secuencia de aminoácidos o polipéptidos. El código que relaciona la secuencia de bases del ARNm con la secuencia de aminoácidos de las proteínas, recibe el nombre de código genético. Con las cuatro bases del ARN (A, G, C y U) pueden formarse 64 codones diferentes (V4,3 = 43 = 64). Como las proteínas están formadas sólo por 20 aminoácidos, para algunos aminoácidos existirán varios tripletes posibles. También existen tres tripletes que no determinan ningún aminoácido. (Si los codones fuesen de menos de 3 bases, no habría suficientes para codificar los 20 aminoácidos; por ejemplo, si fuesen de 2 bases sólo podrían codificarse 42=16 aminoácidos). 3. CARACTERÍSTICAS DEL CÓDIGO GENETICO - El código genético es universal. Todos los seres vivos tienen el mismo código genético; con algunas excepciones, concretamente mitocondrias y algunos protozoos, utilizan un código genético algo diferente. - Cada tres nucleótidos corresponden a un aminoácido específico, un nucleótido sólo puede pertenecer a un triplete y entre tripletes sucesivos no hay ningún nucleótido (lectura sin superposición y sin comas). - El código genético es degenerado, ya que un aminoácido puede estar codificado por varios codones diferentes. Según el número de codones y lo diferentes que sean, hay tripletes muy degenerados, poco degenerados y no degenerados. - Existen tres codones que no codifican ningún aminoácido, son tripletes sin sentido, paro, punto final o STOP. Estos tripletes marcan el final del mensaje genético y por tanto el final de la síntesis del polipéptido. - Todos los mensajes genéticos a traducir comienzan con el triplete AUG que codifica al aminoácido metionina en las células eucarióticas y al formilmetionina en las procarióticas. Posteriormente, durante la maduración de la proteína, esta metionina puede ser eliminada o no. U U C Primera base A G Phe Phe Leu Leu Segunda base A C G UUU UUC UUA UUG Ser Ser Ser Ser UCU UCC UCA UCG Tyr UAU Tyr UAC STOP UAA STOP UAG Cys UGU Cys UGC STOP UGA Trp UGG U C A G Leu CUU Leu CUC Leu CUA Leu CUG Ile AUU Ile AUC Ile AUA Met AUG Val GUU Val GUC Val GUA Val GUG Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala CCU CCC CCA CCG ACU ACC ACA ACG GCU GCC GCA GCG His CAU His CAC Gln CAA Gln CAG Asn AAU Asn AAC Lys AAA Lys AAG Asp GAU Asp GAC Glu GAA Glu GAG Arg CGU Arg CGC Arg CGA Arg CGG Ser AGU Ser AGC Arg AGA Arg AGG Gly GGU Gly GGC Gly GGA Gly GGG U C A G U C A G U C A G Tercera base La tabla muestra los aminoácidos que corresponden a cada codón del ARNm 134 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética Las características del código genético fueron demostradas experimentalmente. A su descifrado (en los años 60 del siglo XX) contribuyó el asturiano Severo Ochoa (Premio Nobel 1959), que utilizó el enzima polinucleótido-fosforilasa para formar polinucleótidos; unió varios ribonucleótidos con la base U y repitiendo el experimento varias veces, en presencia de distintos aminoácidos, comprobó que siempre se formaba un polipéptido de fenilalanina. Así demostró que el triplete UUU codifica la fenilalanina. Experiencias similares permitieron descubrir que el triplete AUG llamaba a la metionina, etc. De este modo se descifró todo el código genético, es decir, los codones específicos para los distintos aminoácidos. Sin lugar a duda, fue el mayor avance de los años 60. 4. MECANISMO DE LA TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA En resumen se trata de la unión de aminoácidos mediante enlaces peptídicos para formar polipéptidos en un orden que debe corresponder con la ordenación de bases nitrogenadas en el ADN manifestada en el ARNm. Comprende varias etapas: - Activación de los aminoácidos. - Traducción del mensaje o formación del polipéptido (iniciación, elongación y terminación). - Maduración y ensamblaje de polipéptidos para formar proteínas funcionales. A) Activación de los aminoácidos: consiste en la unión de los aminoácidos a un ARNt específico, proceso que se lleva a cabo en el hialoplasma celular. Interviene el enzima aminoacil-ARNt-sintetasa el que, consumiendo ATP, es capaz de asociar un aminoácido con su ARNt específico. Se forma así el aminoacil-ARNt y se liberan AMP, dos fosfatos inorgánicos y el enzima, que queda en disposición de actuar otra vez. Cada molécula de ARNt es específica para un aminoácido: un ARNt que lleva un determinado anticodón se une a un aminoácido concreto. Si hay 61 codones que codifican aminoácidos, es lógico pensar que debería haber al menos 61 ARNt diferentes; sin embargo sólo se conocen unos 50. Se ha comprobado que, en algunos casos, un mismo ARNt puede reconocer varios codones, un anticodón puede complementar con varios codones. Este hecho se explica mediante la teoría de la flexibilidad de la tercera base: la tercera base del anticodón (posición 5') puede complementar con varias bases en la posición 3' del codón. B) Traducción del mensaje o formación del polipéptido: consiste en la incorporación de los aminoácidos a la cadena peptídica. Es el proceso fundamental de la traducción y tiene lugar en los ribosomas. Cada ribosoma está constituido por dos subunidades de tamaño diferente (grande y pequeña) y presenta dos centros activos en los que se van a encajar los aminoacil-ARNt: - Centro P o peptidil, donde se sitúa el primer aminoacil-ARNt o el que lleva la cadena peptídica naciente. - Centro A o lugar de recepción de los nuevos aminoacil-ARNt que entran en el ribosoma. Antes de comenzar el proceso, en el que se distinguen tres etapas, las dos unidades se encuentran separadas en el hialoplasma celular. B1) Iniciación de la síntesis: es la primera etapa de la traducción propiamente dicha. La subunidad pequeña se une al ARNm por la región 5´ denominada líder; se produce un desplazamiento del ARNm respecto de la subunidad pequeña del ribosoma hasta llegar a un triplete AUG, y gracias a la complementariedad codón-anticodón, se integra el primer aminoacil-ARNt (que lleva el aminoácido metionina o formilmetionina), a continuación se une la subunidad grande. El conjunto formado (ribosoma completo, ARNm y primer aminoacil-ARNt en el centro P) se llama complejo activo o complejo ribosomal o complejo de iniciación. Son necesarios los enzimas llamados factores de iniciación (F1) y se consume GTP. B2) Elongación: Es la segunda etapa y comprende desde la entrada del segundo aminoacil-ARNt y la incorporación del segundo aminoácido, hasta la entrada del último aminoacil-ARNt. Consiste, por tanto, en la adición de los aminoácidos, que va avanzando desde el extremo amino de la cadena peptídica hacia el extremo carboxilo. Todo el proceso se realiza con la colaboración de enzimas denominados factores de elongación (FE) y consumiendo GTP. La adición de cada aminoácido se lleva a cabo en tres fases sucesivas: a) Fijación del aminoacil-ARNt en el centro A del ribosoma, que está libre, siendo su anticodón complementario del codón correspondiente de ARNm. b) Formación del enlace peptídico entre el grupo amino del aminoacil-ARNt que se acaba de fijar en el centro A y el grupo carboxilo del aminoácido anterior que se encuentra en el centro P. La reacción es catalizada por el enzima peptidil-transferasa, cuya actividad catalítica reside en el ARN que forma parte del ribosoma, lo que ha llevado a pensar que este enzima es un ribozima. Una vez formado el enlace el ARNt del centro P se separa de su aminoácido. IES Alfonso II Camino Peláez 135 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética c) Translocación: consiste en la salida del ARNt del centro P y el paso del ARNt, unido a la cadena peptídica naciente (peptidil-ARNt), del centro A al centro P. El ARNm se desplaza la longitud de un codón (quedando listo para la entrada de un nuevo aminoacil-ARNt en el centro A). B3) Terminación: la síntesis de la cadena peptídica llega a su fin cuando el ribosoma reconoce en el ARNm un codón sin sentido (UAA, UAG, UGA); para estos codones no existe ningún ARNt que posea el anticodón complementario. Estos tripletes son reconocidos por los factores de terminación o de liberación (FR), que se instalan en el centro A y activan al enzima peptidil-transferasa que entonces se comporta como una hidrolasa, rompiendo la unión entre el último ARNt y la cadena peptídica. El polipéptido es liberado al hialoplasma celular, el último ARNt abandona el centro P y el ribosoma se separa del ARNm y sus dos subunidades se disocian. Cuando el ARNm es largo y la célula necesita muchas copias de la proteína, todo el proceso es realizado por un polirribosoma. Al final del proceso el ARNm es destruido por exonucleasas libres en el hialoplasma. En los procariotas, al no haber división entre núcleo y citoplasma, la traducción es simultánea a la transcripción: el ARNm comienza a traducirse antes de que termine la transcripción. C) Maduración y ensamblaje de polipéptidos: mediante la lectura del mensaje genético se logra la estructura primaria de un polipéptido. A medida que se avanza en la cadena peptídica, se van desarrollando las estructuras secundaria y terciaria mediante puentes de hidrógeno y enlaces disulfuro. Algunas proteínas terminan aquí su conformación y ya son funcionales. Otras necesitan perder ciertos tramos (generalmente el aminoácido iniciador); otras están formadas por varios polipéptidos que necesitan ser ensamblados una vez que ha terminado su síntesis (estructura cuaternaria), otras necesitan asociarse a grupos prostéticos para ser funcionales (ser glicosiladas, sulfatadas, etc). Ejercicio (PAU, 2011): El siguiente segmento de DNA codifica un segmento intersticial de un polipéptido : Determine las correspondientes secuencias del RNA mensajero y de los aminoácidos del polipéptido que se origina en la traducción (indicando las polaridades en ambos casos). 3'... TTA GAT AAG AGA TGG TTT TGA GGA GCC ...5' transcripción 5'... AAT CTA TTC TCT ACC AAA ACT CCT CGG ...3' 136 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética 5. GENÉTICA La genética es la ciencia que se ocupa de los caracteres hereditarios de los seres vivos, los factores que los producen, su naturaleza, su localización, el mecanismo de su transmisión a través de las generaciones, sus acciones en el organismo y su mutabilidad. Algunos científicos que contribuyeron a su desarrollo: - En 1866 Gregorio Mendel publica en Brünn (ciudad del imperio Austro-Húngaro) sus experiencias llevadas a cabo durante siete años en el huerto de un monasterio agustino; 35 años después, De Vries (holandés), Correns (alemán) y Tschermack (austríaco) llegan a las mismas conclusiones que Mendel. - En 1902 Garrod relaciona una enfermedad, la alcaptonuria, con la falta de un enzima. Los individuos que padecen esta enfermedad excretan ácido homogentísico en la orina. Garrod llega a la conclusión de que el gen normal (dominante) produce el enzima necesario para la degradación de esta sustancia, producto del metabolismo de la fenilalanina y la tirosina, mientras que el gen recesivo no lo produce. Es la primera vez que se relaciona directamente un gen con un enzima y por lo tanto con una reacción metabólica. - A primeros del siglo XX Sutton (estadounidense) y Boveri (alemán) proponen que los genes están en los cromosomas; Morgan localiza los genes en algunos cromosomas y descubre la herencia ligada al sexo en la mosca Drosophila. Más adelante, en 1927, Müller descubre las mutaciones provocadas. En la historia de la larga investigación para saber donde se localiza la herencia y cual es el mecanismo hereditario que da lugar a un determinado aspecto morfológico o fisiológico de un individuo, se pueden diferenciar tres etapas: 1) Comienza a primeros del siglo XX con el redescubrimiento de las leyes de Mendel. Mendel se refiere al material genético como factores que mediante los gametos se transmiten de padres a hijos y determinan los caracteres. Para Mendel un factor determinaba un carácter, pero desconocía su naturaleza y su localización en la célula. Los "factores" sólo pueden conocerse por sus efectos externos, es decir, por el aspecto que condicionan en el individuo y que se conoce con el nombre de fenotipo. 2) Se inicia una década más tarde; Johannsen en 1909 da el nombre de genes a los factores de la herencia y Morgan y colaboradores enuncian la TEORÍA CROMOSÓMICA DE LA HERENCIA según la cual, los genes son un material que se encuentra ordenado linealmente sobre los cromosomas. Todavía no se sabe la naturaleza química ni el modo de actuación de los genes. 3) Comienza en la segunda mitad del siglo XX. Ya se conoce la naturaleza de los cromosomas, los genes, cómo se duplican, el código genético, las causas de las mutaciones, el genoma humano, etc. 5.1. CONCEPTO DE GEN Desde el punto de vista químico un gen es un fragmento de ADN (o de ARN en ciertos virus). Desde el punto de vista fisiológico, un gen es un fragmento de ADN que codifica una proteína, que con frecuencia es un enzima y que, por tanto, puede regular una reacción química, vía metabólica, etc. Hoy se sabe que muchos enzimas están formados por más de una cadena polipeptídica y que cada cadena polipeptídica está determinada por un gen: GEN ---- UNA CADENA POLIPEPTÍDICA. Hay que tener en cuenta que algunos genes contienen información para la síntesis de un ARN que no se traduce en proteína, y otros no son transcritos a ARN, como los genes promotores (a los que se une la ARNpolimerasa), los operadores (que pueden combinarse con proteínas represoras), etc. Un gen puede definirse como un fragmento de ADN (ARN en ciertos virus) que tiene la información para un determinado carácter o para una determinada función celular. Una vez que se reconoce que un gen determina una cadena peptídica; hay que admitir que la alteración de ese gen (de los nucleótidos que lo forman), puede producir la alteración de la secuencia de aminoácidos de la proteína: La secuencia lineal de los nucleótidos en un segmento de ADN (en un gen) determina la secuencia lineal de los aminoácidos en la proteína por él codificada. Cuando se produce una variación en las bases del ADN, se origina una mutación y puede desaparecer un carácter y aparecer otro. Por ejemplo en el caso del albinismo: El gen recesivo causante del albinismo inhibe la formación del enzima dopaoxidasa y por lo tanto la formación de melanina que es el pigmento responsable de la coloración normal. IES Alfonso II Camino Peláez 137 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética 5.2. ALGUNOS CONCEPTOS FUNDAMENTALES GENOMA: las células de todos los organismos, desde las bacterias hasta el hombre, contienen una o más copias de una dotación básica de ADN que es característica de la especie. Esta dotación fundamental de ADN se denomina genoma. El genoma puede ser una sola molécula de ADN, como en bacterias, o puede estar constituido por cromosomas, cada uno de los cuales es una molécula única, continua y muy larga de ADN. A lo largo de cada cromosoma hay, a su vez, miles de regiones funcionales, los genes, junto con otros miles de regiones cuya función todavía no está muy clara. CROMOSOMAS: estudiados en el tema 12, pero conviene recordar algunos datos: - El número de cromosomas es constante para cada especie. - Cada cromosoma tiene su identidad propia que permite diferenciarlo de todos los demás. - La dotación cromosómica de la especie humana es de 46: 23 parejas de homólogos. - Existen otras especies animales y vegetales que también tienen 46 cromosomas, pero son cromosomas diferentes a los humanos. - Las bacterias poseen un solo cromosoma que además es circular. - La mariposa Pygalia pedaria tiene 224 cromosomas y un radiolario (protozoo) posee 1600, mientras que Ascaris megalocephala (gusano nematodo) sólo tiene 2 cromosomas; parece claro que la complejidad morfológica y funcional no tiene que ver con el número de cromosomas. - Lo más frecuente, tanto en los animales como en los vegetales, es que tengan entre 10 y 50 cromosomas. - Los cromosomas homólogos llevan, a lo largo de ellos, la información para los mismos caracteres dispuesta en el mismo orden. LOCUS: es el lugar que ocupa un gen en un cromosoma (plural: loci). MUTACIÓN: es cualquier tipo de cambio brusco en el material genético. Si este cambio afecta a las células germinales, será heredado por los descendientes. Si afecta a las células somáticas, sólo será heredable cuando se trate de una especie con reproducción asexual. ALELOS O ALELOMORFOS: son las distintas expresiones (variantes) que puede tener el gen responsable de un carácter. Un gen puede modificarse por mutaciones dando lugar a la aparición de dos o más variantes alternativas; cada una de esas variantes se denomina alelo o alelomorfo. El alelo más abundante en una población se dice que es el alelo normal o salvaje o silvestre; el resto se consideran alelos mutados o mutantes, aunque es posible que el más abundante no sea el gen primitivo; simplemente es el más exitoso en el medio donde vive la especie. GENOTIPO: es el conjunto de genes que tiene un individuo para el carácter o grupo de caracteres estudiados. FENOTIPO: es el conjunto de caracteres que manifiesta un individuo. El fenotipo es el resultado de la interacción entre el genotipo y el ambiente. El ambiente para un gen está constituido por el resto de los genes, los componentes celulares (hialoplasma, orgánulos, etc.) y el medio ambiente en el que se desarrolla el individuo. Todas las células de un individuo presentan el mismo genotipo pero el fenotipo que manifiestan puede ser diferente. HOMOZIGÓTICO: individuo que, para un carácter determinado, posee la misma variedad de alelo en los dos cromosomas homólogos. HETEROZIGÓTICO: individuo que, para un carácter determinado, posee dos alelos diferentes, cada uno de ellos situado en uno de los cromosomas homólogos. DOMINANCIA: GEN DOMINANTE Y GEN RECESIVO: cuando hay heterozigosis, puede ocurrir que sólo uno de los alelos se manifieste en el fenotipo, mientras que el otro queda oculto; se dice entonces que hay dominancia o que el carácter tiene herencia dominante. Al alelo que se manifiesta se le denomina dominante y al que queda oculto recesivo. El alelo recesivo sólo se manifiesta en homozigosis. La razón está en que sólo el alelo dominante da lugar a un producto con significado biológico. CODOMINANCIA: este tipo de herencia se da cuando, en heterozigosis, los dos alelos que definen un carácter se manifiestan conjuntamente. La razón está en que ambos alelos dan lugar a productos activos que se manifiestan en el fenotipo del individuo (es el caso de los alelos IA y IB en los grupos sanguíneos humanos). HERENCIA INTERMEDIA: a veces no es fácil diferenciarla de la codominancia; en este caso el fenotipo del individuo heterozigótico es intermedio entre los fenotipos de los dos homozigóticos posibles. El resultado es como si los dos alelos se expresaran (dieran lugar a productos activos) pero lo cierto es que un alelo no se expresa y el otro, aunque se expresa con normalidad, no puede producir la cantidad de sustancia activa suficiente para paliar la deficiencia del primer alelo. 138 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética EXPRESIVIDAD: es el grado en que un gen concreto se expresa fenotípicamente. Es decir, el grado de influencia del ambiente sobre un gen concreto. PENETRANCIA: es la proporción de individuos con el mismo genotipo para un carácter concreto que manifiestan externamente dicho carácter. 6. HERENCIA MENDELIANA: LEYES DE MENDEL Los caracteres se heredan de forma predecible. Conociendo la naturaleza de los genes y el funcionamiento de los cromosomas durante la meiosis, es fácil explicar los resultados de Mendel en sus famosos experimentos. En realidad, Mendel no enunció ninguna ley; fue Correns quien pensó que los resultados de los cruzamientos de Mendel podían enunciarse por medio de lo que hoy conocemos por las tres leyes de Mendel: PRIMERA LEY: UNIFORMIDAD DE LOS HÍBRIDOS DE LA PRIMERA GENERACIÓN FILIAL Cuando se cruzan dos razas puras (puro = homozigótico) para un determinado carácter, todos los individuos de la primera generación filial o F1 son idénticos entre sí tanto genotípica como fenotípicamente. Ejemplo: en Drosophila, el gen vg- en homozigosis determina alas vestigiales (alas muy reducidas) y es recesivo respecto a su alelo vg+ que determina alas normales. El cruce entre una mosca de alas normales homozigótica y otra de alas vestigiales (generación parental) da como resultado el gráfico al margen, donde se observa que todos los descendientes (primera generación filial o F1) son heterozigóticos (o híbridos) iguales entre sí (genotípicamente) y con alas normales (fenotípicamente). SEGUNDA LEY: SEGREGACIÓN DE LOS GENES QUE FORMAN LA PAREJA DE ALELOS EN LA F1 PARA FORMAR GAMETOS QUE LUEGO SE UNEN AL AZAR DURANTE LA FECUNDACIÓN PARA FORMAR LA F2 Los dos alelos responsables de la expresión de un gen se separan durante la meiosis (cuando se forman los gametos) y luego, como consecuencia de la fecundación, vuelven a reunirse al azar. Si se cruzan machos y hembras de la F1 del ejemplo anterior, se obtiene la F2 o segunda generación filial en la que vuelven a aparecer los individuos con alas vestigiales que habían desaparecido en la F1. La proporción es de 3:1, tres normales por cada uno con alas vestigiales. Los resultados están reflejados en el gráfico de la derecha. normal, normal X vestigial, ébano Parental vg+vg+eb+eb+ - - - - - vg eb vg+eb+ normal, normal vg+vg eb+eb normal, normal X normal,normal vg+vg eb+eb vg+vg eb+ebGametos masculinos Gametos F1 2º cruce F1 X F1 F2 Gametos femeninos - vg vg eb eb vg+eb+ vg+eb- vg-eb+ vg-eb- vg+eb+ ++++ normal +++normal +-++ normal +-+normal vg+eb- +++normal ++-ébano +-+normal +--ébano vg-eb+ +-++ normal +-+normal --++ vestig --+vestig vg-eb- +-+normal +--ébano --+vestig ---vetg/éba TERCERA LEY: HERENCIA INDEPENDIENTE DE LOS GENES QUE REGULAN CARACTERES DISTINTOS CUANDO ESTÁN SITUADOS EN PARES DE CROMOSOMAS HOMÓLOGOS DISTINTOS La tercera ley de Mendel, enunciada por Correns, decía que en la transmisión de dos o más caracteres, cada par de factores que controla un carácter se transmite independientemente de cualquier otro par de factores de cualquier otro carácter y además se pueden combinar de todas las maneras posibles. Mendel no sabía nada de cromosomas, ADN, meiosis, etc, y llegó a esta conclusión porque estudió caracteres cuyos genes estaban localizados en distintas parejas de cromosomas. Evidentemente esto sólo puede cumplirse si los loci de los genes de ambos caracteres están situados en distintas parejas de cromosomas, como por ejemplo, y siguiendo con la Drosophila, el caso de los genes responsables del color ébano del abdomen y las alas vestigiales o muy cortas (ambos recesivos). IES Alfonso II Camino Peláez 139 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética En el gráfico de la página anterior se puede ver lo que ocurre cuando se estudian ambos caracteres al mismo tiempo: la distribución fenotípica indicada en el cuadro es: 9:3:3:1. La frecuencia 9 corresponde a los individuos con los dos caracteres dominantes, la frecuencia 3 a los que tienen un carácter dominante y otro recesivo y la frecuencia 1 a los que tienen los dos caracteres recesivos. Lo que demuestra la segregación independiente de los genes vg y eb es la aparición de fenotipos nuevos, tales como "vestigiales y normal", o "normal y ébano", que no se encontraban ni en la generación parental ni en la F1 . CRUZAMIENTO DE PRUEBA O RETROCRUZAMIENTO Para saber si un individuo, con fenotipo dominante para un carácter concreto, es homozigótico o heterozigótico, se le cruza con un individuo homozigótico recesivo; en esto consiste el retrocruzamiento o cruzamiento de prueba: Si todos los descendientes son iguales lo más probable es que se trate de un individuo homozigótico; si aparece algún descendiente con el fenotipo recesivo, sin duda se trata de un individuo heterozigótico (lo normal, en este caso, es que aparezcan la mitad de los descendientes con el fenotipo dominante y la otra mitad con el recesivo). Ejemplo: si se cruza una Drosophila con alas normales heterozigótica con otra de alas vestigiales, la mitad de los descendientes tendrán alas vestigiales y la otra mitad normales. Si se cruza una mosca normal homozigótica con otra de alas vestigiales, todos los descendientes serán normales. 7. OTROS TIPOS DE HERENCIA 7.1. GENES LIGADOS: GRUPOS DE LIGAMIENTO Cuando los genes que regulan caracteres diferentes tienen sus loci en la misma pareja de cromosomas homólogos, no puede cumplirse la 3ª ley de Mendel porque no se heredan independientemente; se dice que esos genes y, por extensión, los caracteres que ellos determinan, están ligados o que existe ligamiento o que esos genes forman un grupo de ligamiento, y se heredan más o menos en bloque: - Si sus loci están muy próximos en el cromosoma, se heredan siempre juntos; se dice que se trata de un ligamiento absoluto. - Si sus loci están a cierta distancia, puede haber recombinaciones entre ellos (en la profase I de la meiosis), por lo que pueden heredarse por separado, pero las frecuencias observadas en los descendientes no se ajustan a las previstas por la 3ª ley de Mendel (9:3:3:1). Se dice que hay un ligamiento relativo. En un individuo diheterozigótico (heterozigótico para dos caracteres), si ambos pares de alelos están ligados, a un único genotipo pueden corresponder dos situaciones diferentes: -Si los alelos dominantes coinciden sobre el mismo cromosoma (y por lo tanto los recesivos coinciden sobre su homólogo) se dice que están en fase de acoplamiento. -Si en un cromosoma está un alelo dominante y el recesivo de la otra pareja (y por lo tanto en su homólogo el recesivo del primero y el dominante del segundo) se dice que están en fase de repulsión. Ejemplo: un individuo diheterozigótico (AaBb) presenta los alelos en fase de acoplamiento (AB/ab). Si en una meiosis se produce recombinación en la región comprendida entre los locus A y B, de los 4 gametos resultantes, dos tendrán los genes enlazados de la misma forma que se encontraban en los cromosomas originales (AB y ab) y se les denomina tipos parentales; los otros dos tendrán los genes enlazados de dos nuevas formas (Ab y aB) y se les denomina tipos recombinantes (ya que resultan de la recombinación). En otras meiosis no se producirá recombinación en la región comprendida entre ambos locus y todos los gametos presentarán los genes enlazados como originalmente (AB o ab). La proporción en que se forman las nuevas combinaciones de dos pares de genes en comparación con el total de combinaciones se conoce como frecuencia de recombinación o de sobrecruzamiento (r): r = nº de recombinantes / total La frecuencia de recombinación depende de la distancia entre los locus considerados; cuanto mas separados estén, mayor será la probabilidad de que se produzca recombinación entre ellos; si están muy cercanos la probabilidad de recombinación entre ellos será muy pequeña. Esta relación ha permitido elaborar los mapas genéticos. Los dos casos extremos en cuanto a frecuencia de recombinación son los siguientes: 140 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética - Si dos locus están tan separados en el cromosoma que la probabilidad de que haya recombinación entre ellos es del 100%, sus gametos y, por tanto, sus descendientes, aparecerán en las mismas proporciones que en el caso de transmisión independiente (el 50% de sus gametos serán del tipo parental y el otro 50% del tipo recombinante) y r = 0,5 = 50%. - Si dos locus están tan cercanos que nunca se da la recombinación entre ellos, entonces r = 0. Por tanto r puede variar de 0 a 50% 7.2. SERIES ALÉLICAS O ALELISMO MÚLTIPLE Puesto que un gen puede ser modificado por mutación, es posible que en una población de individuos coexistan más de dos alelos o variantes para un mismo gen. Este fenómeno se conoce con el nombre de alelismo múltiple y el conjunto de alelos pertenecientes a un mismo locus constituye una serie alélica. Fenotipo Un caso de alelismo múltiple bien estudiado es el de los genes que determinan los grupos Genotipo A A I I sanguíneos más conocidos en la especie humana: el sistema AB0, que fue descubierto por A IAI0 el médico austriaco Kart Landsteiner Se trata de tres alelos IA, IB e I0. B B II B IA e IB son codominantes entre sí y dominantes respecto al alelo I0 que es recesivo. La IBI0 A B correspondencia entre los genotipos y fenotipos (grupos sanguíneos) posibles es la reflejada I I AB en el cuadro al margen. I0I0 0 Los alelos IA e IB determinan la presencia, en la membrana de los glóbulos rojos, de los antígenos A y B respectivamente, mientras que el alelo I0 no produce antígeno. El grupo A posee el antígeno A y el anticuerpo anti-B. El grupo B, el antígeno B y el anticuerpo anti-A. El grupo 0 carece de ambos antígenos pero tiene anticuerpos anti-A y anti-B. El grupo AB cuenta con los dos antígenos y ningún anticuerpo. Esto permite seleccionar adecuadamente los donantes y receptores de sangre: las personas de un mismo grupo son compatibles; el tipo dador no debe incluir antígenos que rechazarían los anticuerpos del receptor; por tanto, el grupo 0 es considerado dador universal y el grupo AB, receptor universal. 7.3. ALELOS LETALES Son los alelos que, al expresarse, provocan la muerte del individuo en los primeros momentos de su desarrollo. Los alelos letales sólo pueden transmitirse de generación en generación cuando son recesivos y se expresan en homozigosis. Los ratones silvestres normales tienen una piel de color más bien oscuro. Lucien Cuenot en 1904 estudió unos ratones de color más claro, denominados amarillos. Las observaciones realizadas llevaron a la conclusión de que el color amarillo está determinado por un alelo dominante sobre el color normal. Sin embargo al cruzar dos ratones amarillos heterozigóticos, 2/3 de los descendientes son amarillos y el 1/3 restante es normal. Estas proporciones se explican si el gen determinante del color amarillo es letal en homozigosis: Cuando se contabilizan los resultados de un cruce no se tienen en cuenta los individuos que han muerto por expresión de alelos letales. 7.4. INTERACCIÓN GÉNICA Muchos caracteres son el resultado de la acción de dos o más pares de alelos distintos que pueden cooperar o modificar mutuamente su acción en un complicado proceso de interacción. Pueden distinguirse dos modalidades de interacción: Cebolla blanca Cebolla roja Cebolla amarilla aarr AARR Aarr A) Epistasia: cuando la expresión de un gen, llamado epistático, anula la aaRr AaRR AArr aaRR AARr expresión de otro gen, llamado hipostático, que aparentemente no guarda AaRr relación con el primero. Ejemplo: los bulbos de las cebollas pueden ser blancos, amarillos o rojos. Existe un precursor incoloro que mediante un enzima E1, es transformado en un pigmento amarillo que, a su vez, es transformado en un pigmento rojo mediante la acción del enzima E2. Ambos enzimas están determinados por genes diferentes (no son alelos de un mismo locus). Los posibles genotipos y fenotipos se muestran en el cuadro al margen. IES Alfonso II Camino Peláez 141 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética El gen A determina color amarillo y el gen R rojo. El alelo a es recesivo del A y, en homozigosis, significa la no producción del enzima E1: la cebolla será blanca independientemente de como sean los alelos del locus R. El alelo r es recesivo del R y en homozigosis significa la no producción del enzima E2: la cebolla será amarilla, pero sólo si previamente se ha sintetizado el enzima E1. El gen A es el epistático y el gen R el hipostático. B) Cuando un determinado carácter es el resultado de la interacción de dos genes con la misma fuerza de expresión: Un ejemplo de este tipo de herencia lo constituye el caso de la cresta de las gallinas estudiado por Bateson y Punnett. Existen cuatro tipos de crestas determinados por una pareja de genes: - Cresta en guisante: la cresta se reduce a una pequeña masa carnosa y está determinado por el gen G, dominante, mientras que su alelo recesivo g implica la ausencia de este carácter. - Cresta en roseta: es una cresta ancha que está determinada por el gen R, dominante frente al r que significa la ausencia de este carácter. - Cresta en nuez: es una cresta intermedia entre las dos anteriores; está determinada por la presencia de los dos genes anteriores en su versión dominante. - Cresta aserrada: está determinada por la total ausencia de los genes dominantes anteriormente descritos. En el caso del cruce de una gallina con cresta en guisante dihomozigótica, con un gallo de cresta en roseta, también dihomozigótico, las proporciones, en un principio, son las indicadas por la 3ª ley de Mendel (ver cuadro al margen), pero dicha ley se refiere a dos caracteres, determinados cada uno por un par de alelos, mientras que aquí se trata de un sólo carácter que está determinado por dos pares de alelos. 7.5. HERENCIA MULTIFACTORIAL O POLIGENIA Los caracteres que presentan una variación continua del fenotipo, tales como la talla, el peso, producción de leche en los bovinos, color del pelo, de la piel o de los ojos, etc, no responden al tipo de herencia mendeliana sencilla estudiado hasta ahora, porque en la manifestación de estos caracteres intervienen varios pares de genes que suman sus efectos y dan lugar a una variación continua del fenotipo sin que se puedan establecer grupos claramente diferenciados. Por ejemplo, si el color de la piel en la especie humana estuviera determinado por tres pares de alelos diferentes: N1, N2 y N3, con sus correspondientes alelos recesivos: n1, n2 y n3, un individuo triheterozigótico: N1n1N2n2N3n3, podría formar 8 tipos de gametos diferentes. 7.6. HERENCIA DEL SEXO, LIGADA AL SEXO E INFLUÍDA POR EL SEXO Herencia del sexo: En la mayoría de los seres vivos el sexo está determinado genéticamente, es decir, el individuo será macho o hembra según su genotipo; pero en algunas especies el sexo de cada individuo depende del ambiente en que se desarrolle, de la proporción hembras/machos en la población donde crezca el nuevo ser, etc. Por ejemplo, hay peces que de jóvenes son de un sexo y de adultos de otro. Cuando la determinación es genética, los genes responsables del sexo pueden estar distribuidos por todo el conjunto de cromosomas o pueden estar concentrados en una pareja de homólogos, en este caso los cromosomas que contienen estos genes reciben el nombre de cromosomas sexuales y los que carecen de este tipo de genes, todos los demás, se denominan autosomas. 142 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética En uno de los sexos (sexo homogamético) los dos cromosomas sexuales son iguales (XX). En el otro (sexo heterogamético) un cromosoma es igual al del sexo homogamético y el otro diferente (XY). En muchos seres vivos como mamíferos (incluida la especie humana), equinodermos, moluscos y muchos artrópodos el sexo heterogamético es el masculino; en otros como peces, anfibios, reptiles y aves el sexo heterogamético es el femenino (no se suele utilizar XY sino ZW). Herencia ligada al sexo: Los cromosomas sexuales, además de contener los genes que determinan el sexo, contienen otros genes que nada tienen que ver con la sexualidad pero que en su herencia están ligados al sexo. Generalmente el cromosoma Y es mucho mas pequeño que el X. Ambos cromosomas poseen un segmento homólogo (con genes que rigen los mismos caracteres) lo que les permite aparearse y entrecruzarse durante la meiosis y un segmento diferencial (característico para cada uno de ellos). Salvo que se indique lo contrario, se entiende por herencia ligada al sexo la de los genes localizados en el segmento diferencial del cromosoma X; la hembra puede ser homozigótica o heterozigótica para dichos genes, mientras que el macho solamente tendrá un gen para cada carácter ligado al cromosoma X, es haploide para esos caracteres (se dice que es hemizigótico). La herencia de los genes localizados en los segmentos homólogos de ambos cromosomas se conoce como herencia parcialmente ligada al sexo y es muy parecida a la de los genes autosómicos. La de los genes localizados en el segmento diferencial del cromosoma Y se denomina herencia holándrica; en las especies en que el sexo heterogamético es el masculino dichos genes se transmiten exclusivamente a través de los machos. Ejemplos de herencia holándrica en la especie humana: la presencia de pelos en las orejas (hipertricosis) y la ictiosis (enfermedad de la piel caracterizada por la formación de escamas y cerdas). Ejemplos de herencia ligada al sexo en la especie humana: -Daltonismo: anomalía que dificulta la distinción de los colores complementarios, determinada por un gen recesivo. Para que un varón sea daltónico basta con que reciba el gen de su madre a través del cromosoma X; una mujer necesita ser homozigótica (poseer el gen en sus dos cromosomas X). Las mujeres heterozigóticas, que no manifiestan la anomalía, se denominan portadoras. -Hemofilia: incapacidad para la coagulación normal de la sangre debido a la ausencia, en la sangre de las personas que la padecen, de un factor necesario para su coagulacion; está determinada por un gen recesivo. La herencia ligada al sexo de un carácter dominante se reconoce porque: - El varón que presenta el carácter lo transmite a todas las hijas y a ninguno de los hijos. - La mujer heterozigótica, presenta el carácter y lo transmite a la mitad de los hijos y a la mitad de las hijas. La herencia ligada al sexo de un carácter recesivo se reconoce porque: - El carácter es más frecuente en el hombre que en la mujer, pues ésta debe tenerlo en homozigosis para manifestar el carácter. - Se transmite a través de las mujeres portadoras (heterozigóticas). - El padre que presenta el carácter nunca lo transmite a sus hijos varones; lo puede transmitir a sus nietos varones a través de sus hijas, que serán portadoras del mismo. Herencia influida por sexo: Existen caracteres, como la calvicie en la especie humana y la presencia o ausencia de cuernos en algunas razas ovinas, cuya manifestación depende del sexo. La calvicie, por ejemplo, está determinada por un gen dominante en el hombre y recesivo en la mujer. 8. ÁRBOLES GENEALÓGICOS En el ser humano no pueden hacerse experiencias como las que hizo Mendel; se necesitan otras técnicas para el estudio de la genética humana. Uno de los principales métodos utilizados es el examen del árbol genealógico: el estudio de los ascendientes y de los descendientes de un individuo puede proporcionar una información muy valiosa, pues permite la detección de enfermedades hereditarias y la predicción de su posible aparición en la descendencia. En un árbol genealógico cada individuo se representa mediante un símbolo: los círculos representan a las mujeres y los cuadrados a los hombres. Los círculos y cuadrados oscuros indican personas con el carácter estudiado (ej: una enfermedad), mientras que los blancos representan personas normales (sanas). IES Alfonso II Camino Peláez 143 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética Cada fila horizontal de círculos y cuadrados representa una generación, de tal manera que las situadas en la parte inferior del árbol genealógico son las más recientes. Para distinguir una generación de otra se utilizan los números romanos: el I es la primera, el II la segunda, el III la tercera, etc. Para distinguir a las personas que pertenecen a una misma generación se numeran de izquierda a derecha, 1, 2, 3, 4, etc. Los matrimonios se indican mediante una línea uniendo a las dos personas. Los hijos de una misma pareja se unen con una línea horizontal, que estará unida por una línea vertical a la que liga a los padres. Los hijos se disponen de izquierda a derecha según su orden de nacimiento. Al margen se representa el árbol genealógico de una familia con epiteloma, una enfermedad hereditaria que produce en el rostro pequeños nódulos coloreados y tumores de dimensión variable en el resto del cuerpo. El gen responsable de la enfermedad es dominante, pues en el caso de ser recesivo, los individuos I-1 y I-2 tendrían que ser homozigoticos y todos sus descendientes tendrían la enfermedad. Comprueba si se trata de un gen autosómico o está ligado al sexo e indica los genotipos más probables. 9. REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA De todo el ADN que hay en una célula, solamente una pequeña parte constituye la auténtica información genética, es decir, la que se va a expresar en forma de proteínas. Por otra parte, esa información genética que tiene una célula o un individuo, no se expresa toda a la vez, sino en diferentes momentos y/o estados metabólicos. Todas las células de un individuo pluricelular (excepto los gametos) tienen la misma información genética porque todas derivan, por mitosis sucesivas, del zigoto; sin embargo en cada tejido hay proteínas específicas porque se expresan genes específicos. Todo esto indica que de alguna manera se tiene regular la expresión de los genes. La manera más sencilla de controlar la expresión de los genes es regular la formación de ARNm; hasta tal punto esto es así, que se puede medir el grado de actividad de síntesis proteica analizando la cantidad de ARNm que hay en una célula en un momento determinado. Si se regula el proceso de transcripción, se regula la expresión de los genes y se regula la síntesis proteica. En las bacterias es la presencia del sustrato o de los productos lo que regula la expresión de un gen que se relaciona con esos sustratos o productos. En las células eucariotas, son las hormonas quienes regulan la expresión de los genes. Es por tanto diferente la regulación de la expresión de los genes en ambos tipos de organizaciones celulares. 9.1. MECANISMOS DE CONTROL EN LAS BACTERIAS En procariotas se conocen dos tipos principales de control de la expresión de los genes: el modelo de control negativo o del operón y el de control positivo o por AMP cíclico (AMPc). MODELO DE OPERÓN El operón es una unidad genética formada por un grupo de genes, estrechamente relacionados en el cromosoma, cuya expresión está regulada por un mismo gen. el modelo del operón fue propuesto por Jacob y Monod (años 50, siglo XX) para la regulación de la síntesis proteica en Escherichia coli. 144 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética Elementos genéticos del operón: - Los genes estructurales, que contienen la información para fabricar las proteínas (estructurales o enzimáticas) y, según la información recibida por los elementos reguladores, se transcribirán o no, en forma de un ARNm policistrónico listo para ser interpretado por los ribosomas. - Un gen regulador, que está continuamente activo y codifica una proteína denominada represor que permite inducir o reprimir la acción de los genes estructurales. Así controla la velocidad con la cual la información se transfiere de los genes estructurales a las proteínas. - Un gen operador, situado en la región inmediatamente anterior a los genes estructurales; es el elemento de regulación al que se puede unir el represor, impidiendo que la ARN-polimerasa transcriba los genes estructurales. Para que se transcriban los genes estructurales el gen operador debe estar libre. - Un gen promotor, que es una secuencia de ADN donde se fija la ARN-polimerasa que va a iniciar la transcripción de los genes estructurales. Este gen promotor está próximo al gen operador. El primer operón propuesto y comprobado experimentalmente es el operón lactosa u operón lac de Escherichia coli, relacionado con el metabolismo de la lactosa en el que intervienen tres enzimas: - La -galactosidasa, que hidroliza la lactosa en glucosa y galactosa. - La -galactósido-permeasa, proteína de la membrana celular necesaria para el transporte de la lactosa al interior de la célula. - La -galactósido-transacetilasa, que cataliza la transferencia de un grupo acetilo del acetil-CoA, a la galactosa. El operón lac está formado, en orden, por un gen regulador (i), el promotor (p), el operador (o) y tres genes estructurales (z, y, a) que codifican los tres enzimas antes citados y que se transcriben a la vez (producen un ARNm policistrónico). Si se cultiva Escherichia coli en un medio sin lactosa, el gen regulador se transcribe y se forma el represor, que se asocia al operador e impide que la ARN-polimerasa transcriba los genes estructurales. Si hay lactosa ésta actúa como inductor que se asocia al represor, provocando una alteración en su estructura; con ello el represor pierde afinidad por el operador, y la ARN-polimerasa transcribe los genes estructurales; en consecuencia se degrada la lactosa. El operón lac funciona por inducción enzimática. Esquema resumen del funcionamiento del operón «lac» Sin lactosa en el medio 1) El gen represor codifica la proteína represor 2) El represor se une al operador y bloquea al promotor 3) La ARN-polimerasa no puede transcribir 4) No se sintetizan lo enzimas Con lactosa en el medio 1) El gen represor codifica la proteína represor 2) El inductor lactosa se une al represor y éste se separa del operador 3) La ARN-polimerasa transcribe con normalidad 4) Se sintetizan los enzimas Existen otros operones que funcionan por represión enzimática, por ejemplo, el operón trp, responsable de la síntesis del triptófano. En este caso el represor en estado normal es inactivo, por lo que se sintetizan constantemente los enzimas necesarios para producir triptófano; si la concentración de triptófano es alta actúa como correpresor, uniéndose al represor; el complejo represor-correpresor se fija sobre el operador impidiendo la transcripción. (En este caso es una represión por producto final). IES Alfonso II Camino Peláez 145 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética CONTROL POR AMPcíclico El AMPc es un potente activador del metabolismo que sólo es activo cuando está unido a una proteína, la proteína activadora del catabolito (CAP). El complejo CAP-AMPc tiene una gran afinidad por una zona del promotor anterior al lugar de unión de la ARN-polimerasa; cuando está unido a él, la ARN polimerasa trabaja mejor y más deprisa. Esto explica que las sustancias que inhiben a la adenil ciclasa (el enzima que forma AMPc a partir de ATP) son inhibidoras de la síntesis proteica y las sustancias que la activan son inductoras de la expresión genética. Por ejemplo, en el operón lac se ha comprobado que un aumento de glucosa hace disminuir el nivel de AMPc; no se forma el complejo CAP-AMPc, la ARN-polimerasa trabaja peor y, por tanto, no se producen los enzimas para el metabolismo de la lactosa. Por ello sólo se degrada la lactosa cuando hay lactosa pero no glucosa. 9.2. CONTROL GENÉTICO EN EUCARIOTAS El grado de condensación de la cromatina juega un papel decisivo a la hora de regular la expresión de los genes en eucariotas: las regiones muy condensadas (heterocromatina) son inactivas. Por otro lado la transcripción está controlada por medio de secuencias situadas en la región 5’ adyacente a los genes. Estas secuencias (promotores y potenciadores), son reconocidas por unas proteínas llamadas factores de transcripción que, una vez unidas a los promotores posibilitan la actividad de la ARN polimerasa que comienza a transcribir en las secuencias denominadas en caja TATA (timina, adenina, timina, adenina). Los factores de transcripción son, con frecuencia, los receptores de las hormonas esteroideas y tiroideas que actúan de tal modo que, cuando están unidos a su hormona correspondiente, son reconocidos por los promotores de los distintos genes que se activan o reprimen, según el caso. Las distintas células tienen distintos receptores que captan la información de distintas hormonas. Cada hormona sólo es activa sobre un determinado tipo de células aunque llegue a la superficie de todas ellas. Algunas hormonas son lipídicas y pueden atravesar las membranas con facilidad, otras son proteicas y, no pudiendo atravesar las membranas, tienen que actuar desde el exterior de esas membranas contactando con su receptor específico. El control hormonal de la actividad génica es diferente según se trate de hormonas proteicas o lipídicas: - Las hormonas lipídicas entran en el citoplasma, se unen a sus proteínas receptoras, forman el factor de transcripción correspondiente e inducen directamente la descondensación de ciertas zonas de ADN o se unen a un determinado promotor facilitando la transcripción de ciertos genes. Así actúan las hormonas sexuales, los anabolizantes, etc. - Las hormonas proteicas no entran en la célula sino que contactan con un receptor específico en la membrana plasmática desencadenando, desde fuera de la célula, un proceso similar al anterior, pero usando como segundo mensajero al AMPc. 10. MUTACIONES Y AGENTES MUTÁGENOS Una mutación es cualquier alteración del material genético, del ADN (los genes, los cromosomas o el cariotipo en su conjunto). El término mutación fue introducido por De Vries que lo aplicó a la aparición súbita de un nuevo gen. Al nuevo alelo se le denomina mutante y al primitivo normal o salvaje. Las frecuencias de mutaciones espontáneas son muy bajas, entre 10-5 y 10-9, y dependen mucho del lugar que ocupen los genes en el cromosoma. Las mutaciones inducidas por radiaciones o sustancias químicas son mucho más frecuentes. Una mutación puede producirse en cualquier célula de un organismo pero sólo son heredables las que se producen en las células germinales (los gametos o las que dan lugar a los gametos); se denominan mutaciones germinales mientras que las restantes se llaman mutaciones somáticas. 10.1. TIPOS DE MUTACIONES Pérdida de un nucleótido: Deleción Adición de un nucleótido: Inserción Cambio de un nucleótido por otro: Transición Transversión Sustitución Deleción Cromosómicas Duplicación Estructurales si el cambio afecta a un cromosoma total o (cromosómicas propiamente dichas) Inversión Translocación parcialmente, o al cariotipo. Euploidías Triploide, tetraploide, etc. Genómicas Aneuploidías 2n+1 ó 2n-1 Génicas o puntuales si el cambio afecta a un determinado gen. 146 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética 10.1.1. MUTACIONES GÉNICAS O PUNTUALES Producen alteraciones en la secuencia de nucleótidos de un gen (son cambios en el ADN a nivel molecular). Hay varios tipos de mutaciones génicas: -Deleción: pérdida de un nucleótido. -Inserción: introducción de un nucleótido. Si se pierden o se introducen uno o dos nucleótidos en un gen que codifique una proteína, la cadena peptídica obtenida será errónea desde el primero de esos nucleótidos; si se pierden o se introducen tres nucleótidos, la cadena peptídica obtenida será errónea entre el primero y el tercero de ellos. -Sustitución: cambio de una base por otra; puede ser de dos tipos: Transición: cambio de una base púrica por otra púrica o de una base pirimidínica por otra pirimidínica. Transversión: cambio de una base púrica por otra pirimidínica o viceversa. Si se cambia una base por otra puede cambiar un aminoácido de una cadena peptídica y puede cambiar la estructura o cambiar o desaparecer la función de una proteína, por ejemplo si el aminoácido cambiado es imprescindible para la conformación espacial del polipéptido o si pertenece a un centro activo. También se consideran mutaciones génicas los siguientes cambios, cuando afectan a fragmentos inferiores a un gen: - Transposición: cambio de posición de pares de nucleótidos. - Inversión: giro de 180º de un grupo de nucleótidos. ORIGEN DE LAS MUTACIONES GÉNICAS Pueden deberse a errores durante la duplicación del ADN que pueden tener varias causas: - Cambios tautoméricos: cada base nitrogenada puede presentarse en dos formas diferentes denominadas formas tautoméricas o tautómeros, una es la normal y la otra es rara; ambas formas están en equilibrio y espontáneamente se pasa de una a la otra (cambio tautomérico); si esto sucede durante la replicación puede cambiar la base complementaria en la nueva hebra de ADN. Por ejemplo la forma normal de la G se complementa con la C, mientras que la forma tautomérica de la G lo hace con la T. - Cambios de fase: son deslizamientos de la hebra que se está formando sobre la hebra molde, de forma que quedan bucles al volverse a emparejar. Otras veces se deben a alteraciones de la estructura de uno o de varios nucleótidos, lesiones que aparecen de forma natural como: - Despurinización: pérdida de purinas por rotura del enlace entre éstas y las desoxirribosas. - Desaminación: pérdida de grupos amino en las bases nitrogenadas, que entonces se emparejan con una distinta de la normal. - Dímero de timina: enlace entre dos timinas contiguas (provocados por los rayos UV de la radiación solar). 10.1.2. MUTACIONES CROMOSÓMICAS: se pueden diferenciar en dos clases: - Mutaciones cromosómicas propiamente dichas o estructurales: afectan a la estructura de los cromosomas. - Mutaciones genómicas: afectan al número de cromosomas. A) MUTACIONES CROMOSÓMICAS PROPIAMENTE DICHAS O ESTRUCTURALES Afectan a un segmento cromosómico que incluye más de un gen. Se producen porque los cromosomas, en la meiosis, pueden romperse y soldarse y no siempre lo hacen correctamente, de manera que un fragmento de un cromosoma puede ir a parar a otro o puede perderse, repetirse, etc. Pueden ser de varios tipos: -Deleción: pérdida de un fragmento de un cromosoma. -Duplicación: repetición de un fragmento de un cromosoma. -Inversión: un segmento cromosómico está invertido (girado 180º) respecto al original. Si está afectado el centrómero es una inversión pericéntrica, si no lo está es una inversión paracéntrica. -Translocación: un fragmento de un cromosoma o el cromosoma entero se fusiona con otro cromosoma. Si dos cromosomas no homólogos intercambian segmentos es una translocación recíproca. Estas mutaciones son detectables citológicamente durante la meiosis, a la hora de emparejarse los cromosomas homólogos: se ven al microscopio en forma de lazos, nudos, etc. incluso puede ser imposible el emparejamiento de cromosomas homólogos, pueden producirse fracturas durante la disyunción en la anafase, puede que sea imposible la disyunción, etc. IES Alfonso II Camino Peláez 147 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética ORIGEN DE LAS MUTACIONES CROMOSÓMICAS ESTRUCTURALES Todos los cambios estructurales que se producen en los cromosomas pueden explicarse por la rotura y reunión de sus fragmentos. Se pueden considerar cuatro casos posibles, los dos primeros se refieren a un sólo cromosoma y los dos últimos a parejas de cromosomas. 1er caso: Las roturas están en el mismo brazo cromosómico y afectan a un solo cromosoma: al producirse la rotura los fragmentos pueden reunirse de dos formas distintas, una da lugar a una inversión paracéntrica y otra a una deleción más un fragmento acéntrico que se pierde. 2º caso: Las roturas están en distinto brazo cromosómico pero en el mismo cromosoma: la reunión de los fragmentos después de la rotura puede realizarse también de dos formas distintas, una produce una inversión pericéntrica y otra produce un fragmento acéntrico que se pierde y un cromosoma circular (deleción). 3ercaso: Las roturas están en distinto brazo cromosómico y afectan a dos cromosomas homólogos: la reunión de los fragmentos después de la rotura produce los siguientes resultados: bien una duplicación más una deleción, o bien un cromosoma dicéntrico (en el que se aprecia una duplicación y una deleción simultáneamente) más un fragmento acéntrico que se pierde. 4º caso: Las roturas están en distinto brazo cromosómico y afectan a dos cromosomas no homólogos: después de la rotura son posibles dos soluciones para soldar los fragmentos: bien dos cromosomas con fragmentos intercambiados en los que se ha producido una translocación recíproca, o bien un cromosoma dicéntrico que es inestable, más un fragmento acéntrico que se pierde (en conjunto es una deleción). EFECTO FENOTÍPICO DE LAS MUTACIONES CROMOSÓMICAS ESTRUCTURALES Las deleciones y duplicaciones producen un cambio en la cantidad de genes y por tanto tienen efectos fenotípicos, por lo general deletéreos (letales, mortales). Sin embargo las inversiones y translocaciones no suelen tener efecto fenotípico, aunque de las translocaciones pueden derivarse problemas de fertilidad por apareamiento defectuoso de los cromosomas durante la gametogénesis o la aparición de descendientes con anomalías. 148 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética IMPORTANCIA EVOLUTIVA DE LAS MUTACIONES CROMOSÓMICAS ESTRUCTURALES La deleción apenas tiene importancia evolutiva, mientras que la duplicación, en cambio, posee una gran importancia evolutiva. Las inversiones y translocaciones están también asociadas de una forma importante a la evolución, por ejemplo la fusión de dos cromosomas acrocéntricos puede dar lugar a uno metacéntrico, como ha ocurrido con el cromosoma 2 de la especie humana, que es el resultado de la fusión de dos cromosomas de un primate antropomorfo antepasado. Se cree que los distintos genes de la hemoglobina o de las histonas se han adquirido, a lo largo de la evolución, por duplicación. B) MUTACIONES GENÓMICAS Afectan al cariotipo, a cromosomas completos, y el individuo que las posee presenta un número de cromosomas diferente al propio de su especie. Las más frecuentes son debidas a un mal reparto de los cromosomas durante la meiosis, con frecuencia debido a alguna de las alteraciones cromosómicas estructurales que provocan meiosis difíciles: inversiones, duplicaciones, etc. Pueden ser de dos tipos: 1) Euploidía: aparece un número de series haploides distinto del normal (2n en especies diplontes). Puede ser: - Monoploidía: con un solo juego de cromosomas; son individuos haploides (n). - Poliploidía: con más de dos juegos cromosómicos (Xn siendo X un número entero cualquiera): triploidía (3n), tetraploidía (4n), etc. A su vez se clasifican según el origen de los juegos extras de cromosomas en: Autopoliploidía: si todos los cromosomas proceden de la misma especie. Alopoliploidía: si los juegos de cromosomas proceden de la hibridación de dos o más especies. 2) Aneuploidía: aparece un cromosoma de más o de menos. Puede ser: - Monosomía: 2n-1. Si falta un cromosoma completo. - Trisomías: 2n+1. Si el hay un cromosoma extra. En la especie humana son más o menos frecuentes algunos síndromes por aneuploidía: SÍNDROME Down Edwards Patau Turner Klinefelter Triple X Jakob o doble Y MUTACIÓN CARACTERÍSTICAS FENOTÍPICAS ANEUPLOIDÍAS AUTOSÓMICAS: CI medio de 50, talla baja, ojos oblicuos, macroglosia (lengua más grande de lo normal), Trisomía 21 anomalías digestivas y cardiocirculatorias, hipotonía muscular, etc. Trisomía 18 Retraso mental y psicomotor, anomalías en las extremidades, labio leporino, etc. Trisomía 13 Labio leporino, paladar hendido, microcefalia, microftalmia, polidactilia, etc. ANEUPLOIDÍAS EN LOS CROMOSOMAS SEXUALES: Mujeres, inmadurez emocional, dificultades de aprendizaje, cuello corto, tórax ancho, sin X0 desarrollo sexual secundario, esterilidad, riñón en herradura, etc. XXY Varones, genitales poco desarrollados, talla alta, dificultades de aprendizaje, etc. XXX Mujeres fenotípicamente normales, dificultades de aprendizaje. XYY Varones, talla alta, en algunos casos oligofrenia y alteraciones de la conducta. 10.2. AGENTES MUTÁGENOS Son todos aquellos factores capaces de aumentar la frecuencia de mutación natural. Los principales agentes mutágenos conocidos son: Las radiaciones electromagnéticas como los rayos X y los rayos Las radiaciones corpusculares como los rayos , los rayos , y los flujos de protones y neutrones que generan los reactores nucleares. Las radiaciones solares, como las ultravioletas, que producen dímeros de timina. Ciertos factores físicos corno los ultrasonidos, choques térmicos, centrifugación, etc. Ciertas sustancias químicas como: Los análogos de las bases nitrogenadas como el 5-bromouracilo, la 2-aminopurina, el AZT (azidotimidina) empleado contra el SIDA, etc. El ácido nitroso (HNO2), que desamina las bases nitrogenadas. El formaldehído. El sulfuro de dicloroetilo. Las acridinas. Ciertas drogas como el LSD. Los alcaloides como la cafeína, la nicotina, etc. El gas mostaza, el agua oxigenada, el ciclamato, etc. IES Alfonso II Camino Peláez 149 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética No todos estos factores tienen el mismo potencial como mutágenos, así la nicotina es mucho más mutágena que la cafeína, las dosis de ciclamatos tienen que ser muy altas para que resulten peligrosas, las radiaciones provocadas por los reactores o explosiones nucleares tienen un altísimo potencial mutágeno, los rayos ultravioleta son muy poco penetrantes y a dosis moderadas resultan beneficiosos, etc. Las células blanco de las mutaciones pueden ser tanto las somáticas como las germinales; las germinales se heredan mientras que las somáticas, aunque no transcienden a la generación siguiente, son una de las principales causas de la aparición de los cánceres más frecuentes. Las células poseen mecanismos que les permiten reparar la mayoría de las mutaciones, especialmente las génicas. Así hay sistemas que revisan constantemente el ADN recién sintetizado y arreglan las lesiones: - Hay una endonucleasa que, cuando detecta un error, produce dos cortes a ambos lados del mismo; luego actúa una exonucleasa que elimina todos los nucleótidos del segmento cortado; a continuación, la ADNpolimerasa I sintetiza el segmento de forma correcta, y finalmente una ADN-ligasa une su extremo final. - Hay enzimas que se activan con la luz y son capaces de romper los enlaces entre dos pirimidinas contiguas eliminando los dímeros de timina. Pero la capacidad de reparación disminuye con la edad del individuo y con su estado físico y psíquico en un momento determinado; por ejemplo disminuye en los estados depresivos, mala nutrición, etc. 11. EL CÁNCER: CAUSAS GENÉTICAS Y AMBIENTALES El cáncer se produce cuando un grupo de células no responde a los controles de proliferación y diferenciación celulares y se reproduce aceleradamente. La masa de células que resulta daña los tejidos limítrofes e incluso puede fraccionarse, emigrar hacia otros puntos utilizando el sistema circulatorio y establecer colonias en otros órganos, proceso que se denomina metástasis. A estos grupos de células en continua mitosis descontrolada se les denomina tumores. Si el tumor está muy localizado y no crece indefinidamente, se dice que es un tumor benigno; si no tiene sus límites bien definidos y crece invadiendo y destruyendo los tejidos vecinos, se dice que es un tumor maligno o un cáncer. La transformación de una célula normal en cancerosa está relacionada con el genotipo de cada individuo y con ciertos factores ambientales que alteran su ADN, como son las costumbres alimenticias, ciertos virus y la exposición o contacto con agentes cancerígenos (o mutágenos). 11.1. CAUSAS GÉNICAS DEL CÁNCER Dentro del genoma existen una serie de genes encargados del control de la proliferación y muerte de las células. Estos genes codifican información para diversos tipos de proteínas, desde receptores de factores de crecimiento, a proteínas que controlan el ciclo celular, o factores de transcripción que regulan la expresión de otros genes. La alteración de estos mecanismos de control es la responsable de que una célula prolifere desordenadamente y se transforme en célula cancerosa. Generalmente esta transformación requiere la alteración de varios de estos mecanismos de control. Conviene distinguir los siguientes conceptos: - Protooncogenes: genes normales que están implicados en el crecimiento y diferenciación celular. - Antioncogenes: genes normales que inhiben la proliferación descontrolada de las células. - Oncogenes: son las versiones alteradas (mutadas) de los protooncogenes o de los antioncogenes, cuya presencia en una célula le confiere características neoplásicas o cancerosas. Los oncogenes pueden actuar por tres vías principales: 1) Adquisición de genes alterados que consiguen alterar a la célula y hacerla proliferar desordenadamente. 2) Pérdida de antioncogenes; son genes de carácter dominante y por lo tanto deben perderse las dos copias del gen en cuestión para que se transforme la célula normal en cancerosa. Es el caso del p53, el oncogén más importante de todos los detectados hasta el momento, que está presente en el 50% de los tumores humanos. 3) Bloqueo de la apoptosis (o muerte celular programada); puede ocurrir por presencia de un gen que inhiba este proceso o por pérdida de cualquiera de los genes que se encargan de inducir este proceso, que es natural y espontáneo cuando algo va mal en la célula o simplemente cuando envejece. 150 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética 11.2. CÁNCER PRODUCIDO POR VIRUS En animales de laboratorio se conocen numerosos virus que pueden provocar cánceres, son los virus oncogénicos. Estos virus poseen uno o más genes, llamados oncogenes, que son capaces de inducir la transformación de células normales en cancerosas. El ejemplo más conocido es el del sarcoma de Rous de los pollos, que posee el oncogén src. Es un virus muy conocido porque fue en su material genético donde se descubrió la retrotranscriptasa o transcriptasa inversa, enzima que poseen algunos virus con ARN que cataliza la formación de ADN utilizando al ARN como molde. 11.3. CÁNCER PRODUCIDO POR SUSTANCIAS QUÍMICAS O POR RADIACIONES En los humanos, la mayoría de los cánceres, excepto algunos tipos de cáncer de hígado y de leucemia, no están relacionados con virus, sino con ciertos agentes físicos o químicos denominados agentes cancerígenos que se supone producen la transformación de los protooncogenes y/o antioncogenes en oncogenes. Básicamente son los mismos agentes mutágenos estudiados, es decir, agentes que aumentan la mutabilidad de los genes. La capacidad de ciertos agentes químicos y físicos para producir cáncer, se ha ido conociendo por vía epidemiológica desde hace algunos años: - En 1775, un médico inglés atribuyó la alta incidencia de cáncer de escroto en los deshollinadores londinenses al hollín. Hoy se sabe que el hollín, como toda sustancia carbonizada, es un agente cancerígeno. - A principios del siglo XX se estableció claramente la relación entre el cáncer y las radiaciones; muchos investigadores pioneros en el estudio de la naturaleza de las radiaciones y de los elementos radiactivos murieron víctimas de procesos cancerosos (Marie Curie y su hija entre otros). - De todos es conocido el efecto cancerígeno del tabaco, no sólo respecto al cáncer de pulmón, sino que también está directamente relacionado con otros tipos de cánceres como: laringe, estómago, etc. Lo que ocurre es que el que no quiere oír y el que no quiere entender es el más sordo y el más tonto. En la práctica todos los agentes mutagénicos son también agentes cancerígenos: las anilinas, el benceno, el formaldehído, las radiaciones UV y X, las radiaciones nucleares, el tabaco, el alquitrán (también presente en los cigarrillos), los ahumados, el pan tostado y chamuscado, el amianto, las bebidas alcohólicas de alta graduación, algunos conservantes y colorantes artificiales, etc. Los efectos de los agentes cancerígenos no son inmediatos, como sucede con los agentes mutágenos, es precisa la repetición y la intervención de otros factores complementarios para que se desencadene la transformación de una célula normal en célula cancerosa. Se cree que además de la exposición repetida frente el agente mutágeno, es necesario un proceso promotor, por ejemplo, una recombinación que sitúe el oncogén en posición de ser transcrito y por lo tanto de que se exprese, dando lugar a la aparición de grandes cantidades de la proteína alterada capaz de la transformación de la célula normal en cancerosa. También se ha comprobado que existen sustancias anticancerígenas naturales que actúan activando los sistemas de reparación del ADN o evitando los procesos promotores. Estas sustancias se encuentran principalmente en frutas, verduras, aceite de oliva y pescado azul y constituyen la mejor prevención contra el cáncer. Ejercicios de PAU: 1.- a) Dibuje un esquema de la estructura básica de la cromatina indicando los elementos que la componen. b) ¿Por qué son idénticas las dos cromátidas de un cromosoma? c) Las figuras A y B representan los cariotipos de dos individuos de la misma especie. El cariotipo de la figura A es normal. El que aparece en la figura B presenta una mutación cromosómica obtenida tras un tratamiento con rayos X. Se trata de una inversión. Explique, con un esquema, en qué consiste esa mutación. IES Alfonso II Camino Peláez 151 BIOLOGÍA Expresión del mensaje genético. Genética 2.- El siguiente trozo de ADN codifica para un segmento intersticial de un polipéptido (para evitar confusiones se separan ligeramente los codones entre sí). 5’…ACC GAT GTA GGC TAA TGT CGG…3’ 3’…TGG CTA CAT CCG ATT ACA GCC…5’ a) Indique la secuencia nucleotídica del ARN si la transcripción se realiza desde la izquierda a la derecha (recuerde que la transcriptasa lee la cadena 3’ 5’). b) Determine la secuencia aminoacídica que se origina por traducción. c) Proponga dos cambios en la cadena codificante que no supongan alteración de la secuencia aminoacídica. 3.- a) El esquema representa la transcripción, el procesamiento del RNA y la síntesis de polipéptidos en un eucariota. Identifique los distintos elementos representados por números. b) Explique, mediante un esquema, en qué consiste la replicación semiconservativa del DNA. c) Indique dos diferencias entre los RNAs mensajeros de procariotas y eucariotas. 4.-En la actualidad es normal que los hemofílicos alcancen edades avanzadas y se reproduzcan. La hemofilia es un carácter ligado al sexo (cromosoma X) y recesivo. La nomenclatura normalmente utilizada es: Hemofilia Xh es recesivo frente a la condición normal XH. Una mujer normal, hija de un padre hemofílico y un varón del que sólo se sabe que su madre es hemofílica, deciden formar pareja. a) Indique los genotipos de los cuatro individuos. b) Calcule la probabilidad de que la pareja tenga un descendiente hemofílico: 1) si es niño; 2) si es niña. c) En el siglo XIX los individuos con hemofilia morían sistemáticamente antes de llegar a la edad reproductora. Explique por qué en el siglo XIX no había mujeres hemofílicas. 5.- Sabiendo que: cuadrado representa varón; círculo representa mujer; fondo blanco la condición normal y fondo oscuro un carácter anómalo: a) Determine el modo de herencia más probable (dominante o recesivo; ligado al sexo o autosómico) del carácter anómalo representado en la genealogía. b) Sabiendo que en las genealogías las generaciones se indican con números romanos y los individuos dentro de cada generación se numeran de izquierda a derecha: Indique, en lo posible, los genotipos de los individuos de las dos primeras generaciones de la genealogía. c) Determine la probabilidad de que III-3 y III-4 tengan un descendiente con el carácter anómalo. 6.- Sabiendo que: cuadrado representa varón; círculo representa mujer; fondo blanco la condición normal; fondo oscuro un carácter anómalo y que el carácter es autosómico: a) Dibuje una genealogía que con sólo dos generaciones (padres e hijos) demuestre que el carácter es recesivo frente a la condición normal. b) Defina “mutaciones génicas o puntuales” en general y cada uno de los tipos en que se clasifican. c) Explique la siguiente afirmación: “Las mutaciones puntuales pueden no ser perjudiciales ni favorables”. 152 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología TEMA 14: MICROBIOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA Introducción. Organización procariota. Tipos de procariotas. Las bacterias y sus funciones. Cianobacterias. Microorganismos acelulares: los virus. Microorganismos eucariotas: protozoos, algas y hongos. Los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos. Los microorganismos como agentes de enfermedades infecciosas. Biotecnología. 1.-INTRODUCCIÓN Los microorganismos o microbios son seres de pequeño tamaño, observables únicamente con la ayuda del microscopio. La microbiología es la rama de la biología que se encarga de su estudio. Se pueden clasificarlos en: Procariotas Microorganismos con organización celular (procariota o eucariota) (Con membranas, ADN, ribosomas; etc.) Eucariotas Arqueobacterias Eubacterias. Protozoos Algas microscópicas Hongos microscópicos. Microorganismos acelulares (Sin membranas, un sólo ácido nucleico, sin orgánulos). Son parásitos intracelulares de las células con membrana porque no poseen los enzimas necesarios para un mínimo metabolismo propio e independiente. Virus Viroides Priones 2.-LA ORGANIZACIÓN PROCARIOTA. TIPOS DE PROCARIOTAS Se trata de un tipo de organización celular caracterizado por la ausencia de núcleo y de todos los orgánulos membranosos citoplasmáticos estudiados en las células eucariotas. Las células con este tipo de organización no van a tener, por lo tanto, R.E., apto. de Golgi, vacuolas, mitocondrias, cloroplastos, etc. LAS ARQUEOBACTERIAS. Posiblemente son las células más antiguas, auténticos fósiles vivientes. Viven en hábitats muy especiales que parecen corresponder con los que existieron en la Tierra Primitiva, ambientes termales, donde la temperatura puede estar próxima a los 100ºC, en lugares próximos a las dorsales oceánicas, en medios muy hipertónicos (halófilos) o, en general, en ambientes de condiciones muy extremas para la vida. Se diferencian del resto de las bacterias por la composición y estructura de sus membranas y paredes: en vez de ácido grasos tienen cadenas de isoprenos que se unen a la glicerina mediante enlaces éter en vez de los ésteres habituales. A veces incluso pueden unirse entre sí las cadenas lipídicas hidrofóbicas con lo cual la típica bicapa de lípidos queda transformada en monocapa. Además su metabolismo es bastante peculiar, por ejemplo sus ADN y ARN polimerasas son diferentes de las del resto de células conocidas. LAS EUBACTERIAS. Son las bacterias típicas y que pueden vivir en las condiciones físicas y químicas que normalmente son compatibles con la vida. Tienen un tamaño que oscila entre 1 y 10 micras y hoy en día se considera que todas las células que presentan este tipo de organización interna son bacterias y pertenecen al reino Moneras. 3.-BACTERIAS. ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN QUÍMICA Las bacterias son actualmente unas 6000 especies diferentes con una gran variedad de modelos metabólicos, de formas, de posibilidades de locomoción, de biología, etc. Algunas pueden llegar a medir 10 micras de largo, como el bacilo del Antrax y otras son muy pequeñas, como la mayoría de los estreptococos que solo miden una micra de largo. Según su forma las bacterias pueden ser: Bacilos: Si son alargadas en forma de bastoncitos. Como el bacilo de la tuberculosis, la Escherichia coli, etc. Cocos: Si son esféricas o casi esféricas con una zona aplanada. Según su modo de crecer podrán dividirse en: diplococos si se asocian de dos en dos. tetradas si se asocian de cuatro en cuatro estreptococos si crecen en una sola dirección (en fila india). estafilococos si crecen en dos direcciones (formando planos). sarcinas si crecen en las tres direcciones (masas cúbicas). Espirilos y espiroquetas: Con forma de espiral o escalera de caracol. Vibrios: Si tienen forma de "coma". Como la causante del cólera. IES Alfonso II 153 Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología A pesar de ser muy variada, la morfología de las bacterias es muy sencilla. Desde el exterior al interior presentan las siguientes estructuras: La cápsula (2), sólo en algunas especies; la pared bacteriana (3); la membrana plasmática (5); el citoplasma con numerosos ribosomas (6), inclusiones sólidas y ADN circular y bicatenario (7). Algunas especies presentan otras estructuras como flagelos (1). En algunas especies la membrana plasmática posee unas pequeñas digitaciones que se extienden hacia el interior del citoplasma y que reciben el nombre de mesosomas (4). LA CÁPSULA: tiene un espesor que oscila entre los 100 y 400 Å. Solamente está presente en algunas bacterias: las bacterias patógenas casi siempre tienen cápsula (responsable de su poder patógeno); mientras que las bacterias autótrofas, saprofitas y simbióticas suelen carecer de ella. Está formada por de polisacáridos, formados por la polimerización de derivados de la glucosa como el ácido urónico o la N-acetil-glucosamina. No está pegada a la pared (queda un espacio entre ambas), es gelatinosa, con una gran cantidad de agua (un 30%). Su función es protectora y de reserva. Evita la desecación, controla el intercambio de algunas sustancias, acumula materiales de reserva y hace posible la agregación en colonias de las bacterias que la poseen. Las bacterias sin cápsula viven siempre de una en una, sin posibilidades de formar colonias. LA PARED: sus componentes fundamentales son los peptidoglucanos o mureínas, unos compuestos de polipéptidos y glúcidos que tienen como unidades básicas a derivados de la glucosa como la N-acetil-glucosamina (NAG) y el ácido N-acetil-murámico (NAM). Estos polímeros se disponen en capas que se mantienen unidas por tetrapéptidos que, formados con frecuencia por Alanina-D-isoglutámico-lisina-D-alanina, están asociados al NAM. La pared bacteriana está presente en todas las bacterias y controla, entre otras cosas, el paso de iones. La efectividad de los antibióticos antibacterianos suele ser debida a su capacidad para inhibir la síntesis o formación de la pared bacteriana. Se distinguen dos grandes grupos de bacterias atendiendo a la estructura y composición de la pared: Las GRAM+: Los peptidoglucanos representan hasta el 90% de la pared y forman una red que origina varias capas superpuestas que por la parte externa enlaza con proteínas, polisacáridos y ácidos teicoicos. Las GRAM-: Los peptidoglucanos forman el 10% de la pared. Están dispuestos en una sola capa que se mantiene unida a otra capa más externa de lipoproteínas y lipopolisacáridos con estructura típica de membrana. Se considera, por lo tanto, que estas bacterias disponen de doble membrana. Las bacterias GRAM+ y GRAM- se tiñen con colorantes diferentes y esto permite identificarlas fácilmente, mientras las GRAM+ se tiñen de azul, las GRAM- lo hacen de color fucsia (tinción de GRAM). También reaccionan de manera diferente frente a los antibióticos y otras medicinas. LA MEMBRANA PLASMÁTICA: en mosaico fluido como todas las conocidas y estudiadas. Espesor de unos 75 Å. Con cierta frecuencia esta membrana es doble como en las mitocondrias y los cloroplastos. En muchas bacterias presenta pequeñas digitaciones hacia el interior llamadas mesosomas. Los mesosomas de las bacterias aerobias son los lugares donde se realiza la cadena respiratoria. También se encuentran en estas digitaciones las ADN polimerasas que se encargan de la duplicación del ADN. En las bacterias fotosintéticas, es en ciertos mesosomas donde se realizan, la mayoría de las veces, las reacciones luminosas. Por lo demás, las funciones de la membrana son las mismas que en las células eucariotas: controlan la permeabilidad selectiva y la relación con el exterior. EL HIALOPLASMA: es homogéneo, de composición parecida al hialoplasma eucariótico pero sin RMT (sin microtúbulos o microfibrillas). Sus funciones son similares a las conocidas para las células eucariotas: glucólisis y fermentaciones, pero además, también se realiza en él la duplicación del ADN. LOS RIBOSOMAS: inmersos en el hialoplasma se encuentran numerosos ribosomas 70S. Son los encargados de la síntesis proteica como en el caso de mitocondrias, cloroplastos y células eucariotas. INCLUSIONES SÓLIDAS. Pueden ser gránulos de reserva, lípidos o complejos multienzimáticos que catalizan las deshidrogenaciones, descarboxilaciones, etc. 154 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología ADN BACTERIANO: es una molécula de ADN, llamada también cromosoma bacteriano; es circular y bicatenario, de unos 30 Å de diámetro. Está asociado a proteínas no histónicas según estructuras no del todo conocidas y está unido a la membrana plasmática por un mesosoma o algún punto concreto. Algunas bacterias, además de los orgánulos descritos, pueden poseer: PLÁSMIDOS: son moléculas de ADN circulares y bicatenarias que se encuentran en el hialoplasma de algunas bacterias y son independientes del cromosoma bacteriano. Son, por lo tanto, material genético extracromosómico. Contienen algunos genes importantísimos que pueden pasar a otras bacterias. Por ejemplo, la capacidad de resistir a la acción de los antibióticos suele residir en plásmidos. FLAGELOS: son estructuras totalmente proteicas y diferentes de los flagelos eucarióticos. Las bacterias que los poseen suelen tener de uno a tres, aunque en casos excepcionales pueden llegar a tener más de 100. Son utilizados para la locomoción. LOS PELOS, PILI O FIMBRIAS: son estructuras muy frágiles y huecas. Son exclusivas de las bacterias Gram- y su finalidad es la de permitir la fijación de la bacteria al sustrato sobre el que vive y el intercambio de material genético mediante el proceso llamado conjugación. VESÍCULAS GASEOSAS: se trata de vesículas de gas que están protegidas por estructuras proteicas. Facilitan la flotabilidad de las bacterias que viven en medios acuáticos y deben mantenerse en la superficie. CROMATÓFOROS: son acumulaciones de pigmentos fotosintéticos (bacterioclorofilas) ensamblados con proteínas, exclusivos de las bacterias autótrofas fotosintéticas. 4.-FUNCIONES DE LAS BACTERIAS 4.1. NUTRICIÓN: En las bacterias se dan todas las posibilidades de nutrición conocidas: - Hay bacterias heterótrofas: - Algunas son de vida libre: suelen ser saprofitas que viven sobre materia orgánica en descomposición. - Otras viven en estrecha relación con otros organismos, eucarióticos normalmente, y pueden ser: - Comensales: no causan daños ni beneficios al organismo sobre el que viven. - Parásitas: producen algún tipo de daño o perjuicio al organismo sobre el que viven. - Simbiontes: bacteria y organismo asociado obtienen beneficios. - Hay bacterias autótrofas que utilizan compuestos inorgánicos para su nutrición; pueden ser: - Fotosintéticas: realizan la fotosíntesis y pueden absorber luz de muy baja intensidad. - Quimiosintéticas: utilizan la energía que se desprende espontáneamente durante la oxidación de ciertos compuestos inorgánicos. Independientemente del modo con el que obtienen sus nutrientes y dependiendo de su capacidad para utilizar el oxígeno atmosférico durante su metabolismo, las bacterias pueden ser: - Aerobias: utilizan el oxígeno, como las células eucariotas; su cadena respiratoria está situada en los mesosomas. - Anaerobias, que a su vez pueden ser: - Anaerobias estrictas: el oxígeno es para ellas un gas venenoso, no soportan su presencia. - Anaerobias facultativas: si están en presencia de oxígeno lo utilizan y hacen respiración oxidativa y si están en ausencia de oxígeno hacen fermentaciones. IES Alfonso II Camino Peláez 155 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología 4.2. RELACIÓN: Las bacterias responden a un elevado número de estímulos ambientales modificando su actividad metabólica o su comportamiento. La respuesta más generalizada consiste en movimientos de acercamiento o distanciamiento respecto a la fuente del estímulo, son respuestas tipo taxia. Los movimientos realizados pueden ser: mediante flagelos por reptación o flexuosos (parecido al de las serpientes pero en espiral). Las bacterias se pueden clasificar según el número y disposición de los flagelos, tal y como se indica al margen: perítricas, lofótricas, anfítricas y monótricas. Ciertas clases de bacterias, ante estímulos adversos del ambiente, forman esporas de resistencia intracelulares (se producen en el interior de la célula) llamadas endosporas. Estas estructuras bacterianas están destinadas a proteger el ADN y el resto del contenido protoplasmático, cuya actividad metabólica se reduce hasta el estado de vida latente. Las endosporas pueden resistir temperaturas de hasta 80ºC y soportar la acción de diversos agentes físicos y químicos. Cuando el ambiente vuelve a ser favorable desarrollan una nueva bacteria activa. 4.3. REPRODUCCIÓN: Generalmente las bacterias se dividen por bipartición. Tras la duplicación del cromosoma bacteriano, la pared de la bacteria forma un tabique transversal que divide en dos a la bacteria. En condiciones idóneas una bacteria se reproduce cada 30 minutos. Además de esta reproducción, típicamente asexual, las bacterias tienen posibilidades de intercambiar (recibir o dar) material genético, fragmentos de ADN, según mecanismos que recuerdan la reproducción sexual y que, sobre todo, aseguran mezclas de genes que favorecen la evolución y el enriquecimiento genético de la especie. Estos procesos o mecanismos son "parasexuales", no son propiamente reproductivos porque no aumentan el número de individuos de la especie y básicamente son de tres tipos: a) Transformación: una bacteria absorbe del medio en que vive fragmentos de ADN que pertenecían a otra bacteria, incluso de otra raza o especie. La absorción de estos fragmentos de ADN se realiza a través de los pili. b) Transducción: es el paso de información genética desde una bacteria a otra a través de un virus. Se estudia al hablar de la multiplicación de los virus. 1 c) Conjugación: existen bacterias que, además del ADN bicatenario circular que forma su cromosoma, disponen de pequeños fragmentos de ADN suplementarios llamados plásmidos o episomas; también son circulares y contienen importantes informaciones genéticas como por ejemplo la resistencia frente a los antibióticos. Los plásmidos se duplican cuando se duplica el cromosoma bacteriano pero además, pueden ser transferidos desde una bacteria que los posee hasta otra que carece de ellos a través de un pelo. Las bacterias con plásmido y pili se llaman bacterias Fr+ y las bacterias que carecen de ellos se denominan Fr - . Una bacteria Fr - se transforma en Fr+ cuando recibe la "inyección" de un plásmido. 156 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología Además de los plásmidos las bacterias pueden poseer en su cromosoma un gen denominado factor F (es como un plásmido insertado en el cromosoma bacteriano) que la capacita para inyectar a otras bacterias la totalidad o parte de su cromosoma. Estas bacterias son llamadas HFr+ (alta frecuencia de recombinación) frente a las HFr - que no poseen ese factor. Después de que se ha duplicado el cromosoma, la bacteria HFr+ toma contacto con una bacteria HFr - y, a través de un pelo, comienza a inyectarle todo el cromosoma bacteriano. Lo más frecuente es que no consiga inyectar el cromosoma completo porque los pili son muy frágiles y suelen romperse antes de que termine la inyección. El factor F siempre está al final del cromosoma a inyectar y es difícil que llegue hasta la bacteria HFr - pero, de cualquier manera, la bacteria receptora recibe una gran cantidad de genes que enriquecen muy considerablemente la variabilidad genética de la especie. Bacterias Fr+ pueden transformarse en bacterias HFr+ y viceversa. 5.-CIANOBACTERIAS Son bacterias que deben su color verdeazulado a pigmentos fotosintéticos llamados ficobilinas, como la ficoeritrina y la ficocianina que, junto con varios tipos de clorofila son responsables de la fotosíntesis y autotrofismo de estos organismos. Hace algunos años se conocían con el nombre de algas cianofíceas, verdeazuladas o simplemente azuladas. Hoy se incluyen dentro del mismo grupo que las bacterias teniendo en cuenta el gran parecido que existe entre ambos tipos de organizaciones. Son de mayor tamaño que las bacterias y su principal característica es que todos sus pigmentos fotosintéticos están asociados a unas estructuras membranosas, que se originan a partir de mesosomas, parecidas a los tilacoides plastidiales. Todas las cianobacterias son acuáticas o viven en sitios muy húmedos y son fotosintéticas. Por encima de su membrana plasmática presentan una pared muy parecida a la de las bacterias Gram- que a su vez está protegida por una cápsula gelatinosa que permite la formación de colonias o agregados. Estas colonias no disponen de flagelos ni ningún otro orgánulo de locomoción y se pueden desplazar por reptación. En el citoplasma de una cianobacteria se distinguen dos zonas: una zona central de coloración clara, donde se localiza el ADN circular y bicatenario, y otra zona periférica, más oscura, donde se encuentran los "tilacoides" con sus pigmentos fotosintéticos. Su reproducción es prácticamente igual que la estudiada para las bacterias. Las células resultantes de la bipartición suelen quedar unidas a la colonia que de vez en cuando se fragmenta dando origen a dos colonias que crecen de nuevo por bipartición de sus células componentes. Hay que destacar que muchas cianobacterias viven en simbiosis dentro de células eucariotas, por ejemplo en algunos helechos, en algunos hongos formando los líquenes, etc. 6.-MICROORGANISMOS ACELULARES 6.1. LOS VIRUS Aunque son considerados como seres vivos, son estructuras acelulares. Sólo muestran actividad vital cuando están en el interior de una célula animal, vegetal, fúngica o bacteria. Son, por lo tanto, parásitos celulares obligatorios. Su parasitismo es altamente específico, cada especie de virus solamente puede desarrollarse en el interior de un determinado tipo de célula, ya que para que un virus entre en una célula, ésta previamente tiene que reconocerle y aceptarle. La especificidad afecta incluso a razas y tejidos. Este hecho hace pensar sobre el posible origen de los virus como trocitos de material genético que en un determinado momento se han independizado de una célula y de vez en cuando vuelven a ella, la célula les reconoce con receptores de membrana y facilita su entrada. Fuera de las células vivas los virus se comportan como sustancias químicas inanimadas e incluso pueden cristalizar en ciertas condiciones. Se transmiten de unas células a otras en forma de partículas llamadas viriones, que son las estructuras que realmente se pueden estudiar. IES Alfonso II Camino Peláez 157 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología Un virión típico está organizado de la siguiente manera: Un ácido nucleico, sólo uno, ADN o ARN, pero nunca los dos juntos. Este ácido nucleico puede ser monocatenario o bicatenario, lineal o circular. Una estructura proteica, la cápsida, que rodea y protege al ácido nucleico. La cápsida está formada por el ensamblaje de unidades llamadas capsómeros. Cada capsómero puede estar formado por un sólo polipéptido, por la reunión de varios polipéptidos o por un polipéptido repetido varias veces. Cada unidad polipeptídica que forma parte de un capsómero se denomina unidad estructural. Los virus más complejos tienen una envoltura que rodea a la cápsida y que está formada por proteínas, lípidos y glúcidos, estructurados de manera que recuerdan a las membranas biológicas. TIPOS DE VIRIONES. Según la forma y estructura de la cápsida se distinguen varios tipos de virus o viriones: A) Icosaédricos o poliédricos: Los capsómeros están organizados formando icosaedros regulares y huecos. Hay capsómeros de dos tipos: Los que se encuentran en las caras y aristas se llaman hexones y están formados por seis unidades estructurales idénticas; cada unidad es un polipéptido. Los que se encuentran en los vértices se llaman pentones y están formados por cinco unidades estructurales idénticas. La cápsida se completa generalmente con fibras proteicas que irradian hacia el exterior. El ácido nucleico está localizado en el interior de esta cápsida icosaédrica. B) Helicoidales o cilíndricos: Cada capsómero (2) está formado por una sola unidad estructural que se repite formando una hélice que deja un hueco central. El ácido nucleico (1) es una molécula de ARN y está insertado en un surco formado por pequeñas hendiduras o depresiones de una determinada zona de los capsómeros. De esta manera, cápsida y ácido nucleico son prácticamente una unidad y sólo pueden separarse cuando se destruye la cápsida en su totalidad. En esta situación se llama nucleocápsida. El primer virus estudiado, el del mosaico del tabaco, presenta este tipo de estructura. También hay nucleocápsidas en virus complejos con envoltura como el de la gripe. C) Complejos: son los fagos o bacteriófagos. Son parásitos de las bacterias; su cápsida, que es una mezcla de los dos modelos anteriores, está formada por: - Una "cabeza" icosaédrica que contiene al ácido nucleico. - Una "cola" helicoidal, similar a la cápsida del virus del mosaico del tabaco. Esta cola termina en una placa proteica, llamada placa caudal, de la que surgen unas fibras también proteicas a modo de "patas" o fibras caudales y una especie de "espinas caudales". La cola tiene un hueco central que comunica con el interior del icosaedro y que es el eje tubular a través del cual, en el momento de la infección, el bacteriófago inyectará su ácido nucleico a la bacteria parasitada. Estos virus funcionan, por lo tanto, como una especie de jeringuillas. D) Con envoltura: Están formados por una nucleocápsida, similar al modelo del virus del mosaico del tabaco, que generalmente está retorcida en forma helicoidal y a su vez está rodeada por una envoltura lipoproteica muy parecida a las membranas plasmáticas. Las moléculas que van a ser reconocidas por la célula parasitada forman parte de esta envoltura que, en el momento de la infección, se fusiona con la membrana plasmática de la célula. Virus que pertenecen a este modelo estructural son, por ejemplo, el de la gripe (al margen) y el del SIDA (virus VIH). 158 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología MULTIPLICACIÓN DE LOS VIRUS Fuera de su célula hospedadora específica, los virus no presentan ningún tipo de actividad vital al no disponer de los enzimas y mecanismos metabólicos necesarios para reproducirse. Pero cuando están en el interior de una célula utilizan todo el material metabólico de ésta en su beneficio y consiguen multiplicarse muy rápidamente. Cuando un virus llega al interior de una célula pueden ocurrir dos cosas: 1) Se adueña del metabolismo celular, lo anula total o parcialmente, se multiplica activamente y destruye o debilita a la célula. 2) Se integra en el ADN celular (siempre en el mismo locus) y simplemente se reproduce cuando se reproduce la célula. En el primer caso el ciclo biológico del virus se denomina ciclo lítico o virulento. En el segundo caso se llama ciclo lisogénico y se dice que el virus está atenuado en forma de provirus y que la célula que lo contiene está en estado lisogénico con ese virus. Ciclo lítico del bacteriófago T2: Se trata de un virus parásito de la bacteria Escherichia coli. Comienza el ciclo con la fase llamada de adsorción, durante la cual, con sus fibras caudales, el bacteriófago reconoce la cápsula de la bacteria y toma contacto con ella acercando su placa caudal a la cápsula bacteriana. De alguna manera el reconocimiento es mutuo y la bacteria no rechaza al virus que, con un enzima específico, lisa (destruye) parte de la pared bacteriana y, en una segunda fase, llamada de penetración, contrayendo la cola inyecta en el interior de la bacteria su ácido nucleico. Las fases de adsorción y penetración juntas constituyen el proceso llamado infección. Una vez dentro de la bacteria, el ácido nucleico vírico comienza una actividad frenética: sintetiza muchos ARNm y proteínas que, en primer lugar, destruyen el cromosoma bacteriano; a continuación duplica muchas veces el ácido nucleico vírico y sintetiza muchas más proteínas. Algunas de estas proteínas son enzimas y otras son las unidades estructurales que, ensambladas convenientemente, van a formar las cápsidas del virus. Durante todo este proceso no se detectan viriones en el interior de la bacteria y por este motivo se le denomina fase de eclipse. La fase siguiente es la de maduración que consiste en el ensamblaje de las unidades estructurales en capsómeros y de los capsómeros en cápsidas. Al mismo tiempo, una copia del ácido nucleico vírico queda encerrada en el interior de cada cápsida dando lugar a los viriones completos. Durante esta etapa de maduración se pueden ver dentro de la bacteria "cabezas", "colas" y viriones completos. La última etapa es la lisis de la bacteria que, debido a su debilidad y a la presión de los muchísimos viriones que contiene, se rompe liberando a los viriones listos para nuevas infecciones. IES Alfonso II Camino Peláez 159 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología EL PASO DEL CICLO LISOGÉNICO AL LÍTICO Los virus que están en forma de profagos o atenuados pueden mantenerse en lisogenia con la célula hospedadora durante mucho tiempo o muchas generaciones, pero en un momento determinado pueden independizarse del ADN celular y pasar al estado virulento o lítico. Normalmente, este paso de lisogénico a lítico se debe al propio envejecimiento de la célula o a agentes externos. Algunos de estos agentes son: radiaciones ultravioleta, rayos X, o cualquier otro tipo de radiactividad, benceno, nicotina del tabaco, etc. CICLO VITAL DEL VIRUS DE LA GRIPE. Se hace referencia a las diferencias respecto al ciclo del bacteriófago T2: Al acercarse a la célula huésped los viriones de la gripe son reconocidos por receptores de membrana. La envoltura del virión se integra (se fusiona) con la membrana plasmática celular y la nucleocápsida pasa al interior de la célula. A continuación se produce la descapsidación o destrucción de la cápsida y el ácido nucleico queda libre en el hialoplasma celular. Este ácido nucleico comienza a expresarse y a dirigir la síntesis de las proteínas víricas, pero sin destruir el material genético de la célula parasitada. Durante la fase de eclipse se sintetizan los componentes víricos y durante la fase de maduración se ensamblan para dar lugar a las nucleocápsidas que, a continuación, se van a acercar a la membrana plasmática induciéndola a transformarse en la envoltura del virus que, de esta manera, “brota” al exterior de la célula sin lisarla. No se destruyen las células parasitadas aunque quedan muy debilitadas. El virus de la gripe tiene ARN como ácido nucleico y, al igual que otros virus con este tipo de material genético, posee asociado al ARN un enzima, la transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, que es capaz de sintetizar ADN utilizando como molde el ARN vírico. La transcriptasa inversa forma parte del propio virus y en el proceso de transcripción invertida que cataliza, utiliza como cebador a una pequeña molécula de ARNt. Una vez que el ARN vírico es transcrito a ADN, es el ADN la molécula que controla la síntesis de todos los ARNm y de las proteínas correspondientes. EL VIRUS VIH, CAUSANTE DEL SIDA Es un retrovirus con ARN como material genético. Posee una envoltura relativamente compleja, constituida por una membrana lipídica con glucoproteínas dispuestas a modo de espículas hacia el exterior. Debajo de la envoltura presenta una cápsida proteica que encierra en su interior el material genético, formado por una nucleocápsida con dos moléculas de ARN lineales monocatenarias. Cada molécula de ARN está asociada a una transcriptasa inversa. El VIH tiene como células diana preferentes a los linfocitos T4; cuando las espículas de su envoltura contactan con receptores de los linfocitos T4, se fusionan ambas membranas y el material genético del VIH queda dentro del linfocito. Entonces la cápsida es destruida y queda libre el ARN viral con sus transcriptasas inversas. Estos enzimas construyen ADN utilizando como molde el ARN del virus, y dan lugar a dos moléculas híbridas ADN-ARN. Los mismos enzimas degradan el ARN vírico y a partir del ADN sintetizan una cadena de ADN complementaria de la primera, originándose así dos moléculas de ADN bicatenario que se insertan en el genoma del linfocito. Pueden permanecer en este estado “lisogénico” (como provirus) durante un periodo de tiempo más o menos prolongado. 160 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología En algún momento comienzan a expresarse los genes del VIH y, utilizando la maquinaria enzimática del linfocito, se forman nuevas copias del ARN vírico, de sus proteínas capsidiales, de las retrotranscriptasas, etc. Todos estos componentes se ensamblan y los viriones formados abandonan la célula por el mismo mecanismo que los virus de la gripe. Todo este proceso puede ser muy lento o relativamente rápido y terminar con la destrucción de los linfocitos, con lo cual se deteriora el sistema inmunitario produciendo toda la sintomatología de la enfermedad. LA TRANSDUCCIÓN Cuando un virus en estado lisogénico pasa al estado lítico, puede arrastrar con él ciertos genes de la célula parasitada que estaban situados en su vecindad, y al infectar a una nueva célula le introduce esos genes. Este proceso se llama transducción. Cada virus que puede integrarse en el material genético de una célula lo hace siempre en el mismo locus y los genes que puede transducir de una célula a otra son siempre los mismos. La transducción es un proceso extraordinariamente importante para explicar ciertos casos de evolución, especialmente en el caso de las bacterias, donde es muy frecuente. 6.2. OTROS MICROORGANISMOS ACELULARES RELACIONADOS CON LOS VIRUS Viroides Son pequeñas moléculas de ARN en forma de horquilla, simulando cadena doble. Sin cápsida ni envoltura, poseen una gran capacidad infecciosa. Sólo pueden replicarse pero no traducirse y por lo tanto no pueden expresarse. Hasta ahora sólo se conocen en organismos vegetales sobre los que pueden provocar graves epidemias con enfermedades como el husillo de la patata y la exocortis de los cítricos. Priones Son pequeñas moléculas proteicas infecciosas descubiertas en 1983. Todavía son desconocidos y posiblemente incluyan diferentes tipos de moléculas que funcionan de diferentes maneras. Es posible que, en algunos casos, el código genético funcione al revés: proteína ADN. La encefalitis espongiforme de las ovejas (tembladera), del ganado bovino (vacas locas) y su equivalente humano, la enfermedad de Kreutfeld-Jacob, están causadas por un prión. Desde 1996, existe la sospecha, muy fundada, de que pueda transmitirse desde las vacas al hombre; sobre todo mediante el consumo de carne poco cocinada: salchichas, hamburguesas, etc. En este caso, el prión causante es una proteína constituyente de la membrana de las neuronas, que sufre un proceso de inversión durante su plegamiento, de tal manera que los radicales hidrofóbicos, que deberían quedar en la superficie de la molécula, quedan orientados hacia el interior, lo cual hace imposible su inserción en la membrana plasmática. Esta proteína inútil se acumula en los lisosomas porque, debido a su anormal estructuración, no puede ser degradada por las proteasas. La célula, intentando satisfacer las necesidades de abastecimiento, fabrica más y más proteína inútil hasta que llega el suicidio celular. La primera descripción de este tipo de enfermedades se realiza en los años 50 del siglo XX, se trata del Kuru (de Nueva Guinea) y desde entonces ha sido asociada a la costumbre de comerse el encéfalo de los familiares muertos. La enfermedad ha ido desapareciendo como epidemia a medida que se fueron olvidando estas prácticas necrófagas. 7.-MICROORGANISMOS EUCARIOTAS 7.1. PROTOZOOS Son organismos formados por una sola célula con estructura típica de eucariota animal que en algunas ocasiones presenta una gran complejidad organizativa. Aunque casi todos son microscópicos, su tamaño y su forma son muy variables. Algunos protegen su membrana plasmática con un caparazón duro de caliza, de sílice o de quitina. Todos son heterótrofos pero consiguen sus nutrientes de diferentes formas: - La mayoría de los protozoos viven libres en aguas dulces o saladas y cuando se deseca el medio, forman un caparazón resistente y se enquistan. - Algunos son parásitos de animales o de vegetales y son causantes de enfermedades. - Algunos viven en simbiosis con animales o vegetales procurándose mutuos beneficios. - Muchos de ellos son comensales, viven sobre animales o sobre vegetales, pero sin causar enfermedades. Se suelen reproducir por bipartición simple, pero también son posibles otras modalidades como la esporulación (ej, en el Plasmodium, causante del paludismo). Incluso son posibles ciertos procesos de reproducción sexual, o al menos de intercambio de material hereditario, que recuerdan la reproducción sexual. IES Alfonso II Camino Peláez 161 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología Protozoos importantes para la especie humana son por ejemplo: - Paramecios, vorticelas y otros ciliados que viven en las aguas ayudando a su purificación. - Amebas, que también viven en charcas alimentándose de bacterias, algas, etc. La Entamoeba histolytica es parásita del hombre y provoca la disentería amebiana. - Trypanosoma, causante de la enfermedad del sueño en los mamíferos. Puede contagiarse al hombre mediante la picadura de la mosca tsé-tsé. - Plasmodium, también parásito de la sangre de los mamíferos. Se transmite al hombre por la picadura de la hembra del mosquito Anopheles y produce la malaria o paludismo. Algunos protozoos: Algas unicelulares: 7.2. ALGAS MICROSCÓPICAS UNICELULARES Están formadas por una sola célula eucariótica vegetal y son fotosintéticas. Algunas poseen flagelos que les facilitan el desplazamiento, como Euglena viridis (¡una célula vegetal con flagelo!). Otras como las Diatomeas, de color amarillo dorado, viven tanto en aguas dulces como saladas, poseen un caparazón de sílice (frústula) muy “decorado” y constituido por dos piezas que encajan como una caja y su tapa. Las algas unicelulares forman una parte importante del plancton. 7.3. HONGOS MICROSCÓPICOS Se trata de un amplio grupo de microorganismos muy heterogéneo. No obstante todos ellos presentan algunas características comunes entre las que destacan: - Están formados por una o varias células eucariotas. - Carecen de clorofila o de cualquier otro pigmento fotosintético. - Tienen pared de quitina recubriendo su membrana plasmática. Se pueden reproducir sexual o asexualmente por gemación, esporulación o fragmentación. Todos son heterótrofos, la mayoría saprofitos (se desarrollan sobre materia orgánica en descomposición), pero algunos son parásitos y producen enfermedades en animales, en vegetales superiores o en la especie humana. Por ejemplo, numerosas micosis en piel, pelo y uñas, en las mucosas bucales y genitales, o en tejidos más profundos y con mayor riesgo para la salud. Los hongos microscópicos pueden ser levaduras (unicelulares) o mohos (pluricelulares). Los mohos tienen una estructura denominada talo, constituida por filamentos denominados hifas, que pueden estar ramificados y tabicados, formando en su conjunto una estructura filamentosa llamada micelio. El papel que los hongos realizan en la naturaleza es de suma importancia, sobre todo si se considera su actividad descomponedora en los ecosistemas (reciclaje de materia orgánica). También son importantes en la actividad humana: en la alimentación (quesos, vinos, pan, por ejemplo), en la agricultura, silvicultura (deshacen árboles muertos), industria química y farmacéutica (antibióticos, vitaminas). 162 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología 8.-INTERVENCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Las bacterias y los hongos intervienen de una manera decisiva en la realización de los ciclos de la materia en la biosfera. Su función básica es la de descomponer la materia orgánica procedente de restos vegetales o animales en materia inorgánica que puede ser utilizada de nuevo por los seres autótrofos o productores. La actividad de los descomponedores en la biosfera permite que la materia se recicle y no se disperse como ocurre con la energía. Muchos de los elementos químicos que componen los materiales terrestres están sometidos a unos circuitos cíclicos que, básicamente, consisten en que los elementos químicos pasan de la materia inorgánica inerte a la materia orgánica que forma los seres vivos y, de estos, otra vez de vuelta a la materia inorgánica, cerrándose así el ciclo. Estos ciclos que relacionan la materia viva con la inerte son los ciclos biogeoquímicos. Como ejemplo de ciclos biogeoquímicos y para conocer el papel que en ellos desempeñan los microorganismos, se estudian los ciclos del carbono y del nitrógeno. 8.1. CICLO DEL CARBONO Mediante el proceso de la fotosíntesis, las plantas verdes toman CO2 de la atmósfera y lo reducen a glúcidos. Parte del carbono vuelve a la atmósfera en forma de CO2 durante los procesos de respiración oxidativa. Desde las plantas, el carbono pasa a los animales herbívoros, de los herbívoros a los carnívoros y, por último, desde todos ellos, el carbono vuelve al medio inorgánico por medio de los descomponedores, que fundamentalmente son bacterias y hongos. Hay que tener en cuenta que una gran parte del carbono puede tardar millones de años en cerrar el ciclo, se trata del carbono que forma parte de los combustibles fósiles: el carbón y el petróleo. 8.2. CICLO DEL NITRÓGENO El nitrógeno constituye el 78% del aire, sin embargo este nitrógeno es muy inerte y sólo puede ser reducido a materia orgánica por un tipo de bacterias llamadas fijadoras de nitrógeno. A este grupo pertenece, por ejemplo, el género Rhizobium, que vive en simbiosis en las raíces de las leguminosas (guisantes, judías, tréboles, alfalfa, etc.). El resto de las plantas tiene que tomar el nitrógeno del suelo en forma de nitratos (recordar fotosíntesis). El nitrógeno, ya incorporado a la materia orgánica, pasa de los vegetales a los animales herbívoros, de los herbívoros a los carnívoros, etc. Finalmente los desechos de materia orgánica que contienen nitrógeno (ácidos nucleicos, proteínas, esfingolípidos, etc.) son descompuestos por ciertos grupos de bacterias y hongos y transformados en NH3 o en ión amonio mediante un proceso llamado amonificación. Otras bacterias del suelo captan los iones amonio y los oxidan a nitritos. Finalmente otros grupos de bacterias oxidan los nitritos a nitratos, que ya pueden ser fácilmente absorbidos y reducidos a materia orgánica por la mayoría de las plantas. El nitrógeno suele llegar a la materia viva en forma de ácido glutámico, un aminoácido, y a partir de él, se extiende por el resto de biomoléculas que lo utilizan en su estructura... Todo este proceso se puede ver entorpecido por un grupo de bacterias desnitrificantes que, en condiciones anaerobias o de inundación, convierten los nitratos del suelo en N2 atmosférico, con el consiguiente empobrecimiento. Por ello es bueno que los campos de cultivo estén bien drenados, para reducir al mínimo los problemas de desnitrificación. IES Alfonso II Camino Peláez 163 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología 9.-LOS MICROORGANISMOS COMO AGENTES DE ENFERMEDADES INFECCIOSAS La mayoría de los microorganismos son inocuos para los demás seres vivos. Algunos incluso se han adaptado a las condiciones especiales que tienen los tejidos animales y viven en ellos, en su piel, en su tracto respiratorio o digestivo, etc, constituyendo la denominada flora normal. Sin embargo, los microbios más conocidos son aquellos pocos que producen enfermedades infecciosas, tanto en las plantas como en los animales y, sobre todo, en la especie humana. Estos microbios se llaman microorganismos patógenos. El grado de patogenicidad se denomina virulencia y se suele medir por el número de microorganismos que son necesarios para desarrollar la enfermedad. Algunas especies que en condiciones normales no son patógenas, pueden llegar a serlo cuando disminuyen los mecanismos de defensa del animal; son los llamados microorganismos oportunistas. Vías de infección El primer paso en una infección es la colonización, por parte de los microorganismos, de los tegumentos y mucosas corporales, donde deben competir con la flora normal y especies comensales. Los que superan con éxito esta fase son los causantes de las enfermedades más contagiosas. La entrada de los microbios en el cuerpo del hospedador puede realizarse por distintas vías: Heridas o abrasiones en los tegumentos. Roturas microscópicas en las mucosas. Picaduras de artrópodos (mosquitos, garrapatas, etc.). Adherencia específica a las células del hospedador y paso a través de sus células epiteliales. En algunos casos, los microorganismos forman colonias tan numerosas en los tegumentos que causan la lesión epitelial que facilita la entrada del microbio. Una vez dentro, se reproducen en la propia lesión superficial o en un tejido específico al que pueden llegar por vía linfática o sanguínea. En esta fase tienen que superar los mecanismos defensivos del hospedador que incluyen inflamación, filtración en los ganglios linfáticos y digestión por fagocitosis. Si consiguen superar todos ellos, se desarrolla la enfermedad. El período de tiempo que transcurre desde la penetración hasta que se manifiestan los síntomas de la enfermedad se denomina período de incubación. Si el microorganismo se multiplica en las células epiteliales de la zona afectada, se dice que se trata de una infección superficial; si los microbios, a través de los vasos sanguíneos, alcanzan varios órganos y se reproducen en ellos, se dice que se trata de una infección sistémica. Factores de patogenicidad. Toxinas. Los síntomas de una enfermedad significan que el hospedador ha sufrido alguna lesión por alguna de estas causas: La proliferación de los microorganismos: el crecimiento del número de microbios puede conllevar dos perjuicios diferentes: Competencia entre el microbio invasor y el hospedador por un determinado nutriente. Bloqueo de vasos sanguíneos o daño directo sobre los tejidos del hospedador. La producción de toxinas: Las toxinas son sustancias venenosas de bajo peso molecular producidas por el microbio y que pueden ser excretadas al medio (exotoxinas), como el caso del botulismo o del tétanos, o retenidas dentro de la célula (endotoxinas). Las toxinas pueden provocar daños locales o pueden difundirse y causar lesiones sistémicas. La producción de enzimas extracelulares, como la lecitinasa que hidroliza los lípidos de membrana de las células o las hemolisinas que destruyen las membranas de los glóbulos rojos liberando al plasma su hemoglobina. 10.-BIOTECNOLOGÍA La biotecnología es la aplicación conjunta de todos los conocimientos biológicos y tecnológicos disponibles en un momento determinado. Ejemplo: los procesos industriales que se sirven de microorganismos o de células procedentes de animales o vegetales para obtener determinados productos comerciales o para realizar importantes transformaciones químicas, como la obtención de bebidas alcohólicas; la clonación; la obtención de especies transgénicas; la terapia génica; la inseminación in vitro, etc. Aunque el término es relativamente moderno, comprende técnicas y métodos conocidos desde la antigüedad como la fabricación del pan, que ya conocían y utilizaban en el antiguo Egipto, la mejora de las razas de animales y vegetales para obtener más y mejores productos, la fermentación de los zumos de frutos y semillas para obtener bebidas alcohólicas, la fermentación de la leche, etc. El término biotecnología comenzó a utilizarse con la aparición de la ingeniería genética, allá por los años setenta del siglo XX, que manipula más o menos directamente, el material genético de las especies. En la actualidad, con la expansión de los métodos de manipulación genética y de la biotecnología, los microorganismos útiles industrialmente han sido manipulados con el fin de que produzcan ciertas sustancias que no producirían de manera natural. 164 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología GENETICA APLICADA: INGENIERÍA GENÉTICA El término de ingeniería genética hace referencia a todo tipo de manipulaciones que el hombre puede hacer con los genes de una especie, bien para modificarlos o para trasladarlos a otra especie diferente. Esta última posibilidad da lugar a la aparición de los organismos transgénicos. Para obtener un individuo transgénico es necesario clonar el gen del carácter que se quiere conseguir. El término clonación significa obtención de copias idénticas y puede aplicarse a organismos (lo que equivale a la reproducción asexual), a células o también a genes. Se conocen diversas técnicas moleculares por las que puede realizarse la transferencia de genes de una especie a otra. Así mediante un vector apropiado, que puede ser un plásmido o un virus, se puede introducir un gen de una especie, en otra diferente. Es posible pasar genes de eucariotas a eucariotas, de eucariotas a procariotas, de procariotas a eucariotas y de procariotas a procariotas. La técnica más utilizada es la tecnología del ADN recombinante, que permite obtener fragmentos de ADN, determinar su secuencia, alterar genes y transferirlos a células en cultivo, e incluso (aún más difícil) a células de la línea germinal de animales y plantas, que incorporan esos genes y los transmiten a su descendencia (organismos transgénicos). En la tecnología del ADN recombinante se distinguen cuatro etapas: - Corte específico del ADN en fragmentos pequeños mediante enzimas de restricción o rectrictasas: son endonucleasas propias de diversas especies de bacterias cuya función es destruir los ADN extraños (ej, víricos) que puedan entran en ellas; reconocen secuencias específicas de la doble hélice y las cortan en escalón o perpendicularmente. Por ejemplo el enzima Eco-RI de algunas cepas de Escherichia coli reconoce seis pares de bases: (5’-GAATTC-3’ y la cadena complementaria). La bacteria reconoce las secuencias propias y las distingue de las extrañas (ya que los enzimas de restricción no trocean su propio ADN). - Inserción de estos fragmentos de ADN en vectores de clonación, que son los agentes transportadores capaces de introducirlos en las células receptoras: en las bacterias se utilizan los plásmidos o los virus bacteriófagos (fagos); actualmente son muy utilizados los cósmidos (plásmidos modificados); en las células eucariotas deben emplearse otros vectores diferentes (los plásmidos están presentes normalmente en bacterias, pero en algunas ocasiones se presentan en organismos eucariotas como las levaduras). - Multiplicación de las células receptoras y de los vectores de clonación, lo que permite obtener un gran número de copias idénticas de un determinado fragmento de ADN: clonado del ADN. - Localización de los descendientes de la célula receptora que tienen el fragmento de ADN con el gen que se quería implantar. Cuando se dispone de poca cantidad de un determinado gen que se quiere analizar o estudiar, es imprescindible aumentar rápidamente esa cantidad. Este aumento de la cantidad de ADN se llama amplificación. Existen varios métodos para amplificar una determinada secuencia o fragmento de ADN; el más conocido es la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa o PCR, que consiste en desnaturalizar y replicar cientos de veces un determinado fragmento de ADN para poder estudiarlo. La desnaturalización del ADN tiene que realizarse a altas temperaturas, por lo que las polimerasas eucariotas “normales” también se desnaturalizarían. Para evitar tener que añadir nuevas polimerasas en cada ciclo, se utilizan polimerasas de bacterias termófilas (Thermus aquaticus) que son estables incluso a 95ºC y, por lo tanto, soportan perfectamente las temperaturas de desnaturalización del ADN. LA INGENIERIA GENÉTICA EN LA TERAPIA DE ENFERMEDADES HUMANAS En la especie humana se conocen numerosas enfermedades de carácter hereditario o relacionadas con alteraciones genéticas y, aunque en la mayoría de los casos todavía no se han identificado los genes responsables, en unos pocos casos se conocen y en el futuro está previsto que se localicen muchos más. Actualmente sólo en muy pocas ocasiones se dispone de la técnica o del “vector” apropiado para incorporar el gen correcto a las células del individuo afectado. Resulta mucho más fácil transferir el gen humano sano a una bacteria, obteniendo de ella la sustancia necesaria para luego inocularla en el enfermo. Aunque todas estas técnicas están sometidas a cambios muy rápidos, se pueden resumir de la siguiente manera: - La terapia de células somáticas, que puede realizarse en algunos casos, consiste en transferir el gen correcto a las células humanas deficitarias. - La terapia de células germinales, que hoy en día no es legal, podría en el futuro hacer llegar a un óvulo, espermatozoide o zigoto el gen o genes sanos y todas las células del nuevo individuo tendrían el genotipo normal. IES Alfonso II Camino Peláez 165 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología Ejemplos de terapias génicas que se aplican actualmente: La Talasemia: grupo de enfermedades relacionadas con la presencia de hemoglobina distinta de la normal. - Tratamiento: retirar células de la médula ósea del enfermo, introducir en ellas el gen correcto mediante un virus, devolverlas al torrente circulatorio. - Dificultades: La selección de las células que producen hemoglobina entre todas las células de la médula, es difícil. Los genes introducidos se expresan poco. Las alteraciones en su manifestación son peligrosas. La carencia del enzima Adenosin Desaminasa (ADA): se debe a un fallo en los leucocitos. Es la enfermedad de los niños burbuja o inmunodeficiencia combinada grave (SCID). Tratamiento: semejante al de la Talasemia. Enfermedades sometidas a ensayos clínicos de terapia génica: En la actualidad se están ensayando numerosos tratamientos mediante terapias génicas variadas, por ejemplo: Varios tipos de cánceres como: melanoma, riñón, ovario, neuroblastoma, garganta, pulmón, cerebro, hígado, mama, colon, leucemia, linfoma… Fibrosis quística. Hemofilia. Artritis reumatoide. PROTEÍNAS PRODUCIDAS POR BACTERIAS Proteínas humanas: La insulina: proteína encargada de regular el nivel de glucosa en sangre, está formada por dos péptidos: A de 21 y B de 30 . Una vez aisladas las dos secuencias de nucleótidos, se introducen por separado, mediante plásmidos, en dos estirpes diferentes de bacterias detrás del operón lac. Estas bacterias, en muy poco tiempo, originan muchas bacterias portadoras de esos genes que, al añadir lactosa al medio empiezan a sintetizar los péptidos A y B, respectivamente. Los péptidos se aíslan, se purifican, se activan sus grupos SH para que se unan los dos péptidos y se obtiene insulina humana. Como el metabolismo bacteriano es muy elevado, esta vía de obtención resulta muy rentable. Además se trata de insulina humana en lugar de porcina, que es la que había antes en el mercado para los enfermos de diabetes. La hormona del crecimiento: polipéptido de 191 aminoácidos; se utiliza una técnica similar al ejemplo anterior. El interferón: proteína de peso molecular entre 16 000 y 20 000, con una cadena glucosídica. En la actualidad se ha conseguido aislar el ADN responsable del interferón en leucocitos y linfoblastos infectados. El problema es que se obtiene una producción muy baja a causa de la inestabilidad de la molécula. El factor VIII de la coagulación: se obtiene mediante procedimientos similares. Enzimas: en la industria se emplea un gran número de enzimas, sobre todo en la industria alimentaria y en la producción de detergentes. Vacunas: la ventaja de este tipo de vacunas es que no hay que inyectar agentes patógenos debilitados o muertos, sino sólo sus proteínas. De este modo las vacunas son más seguras y tienen menos efectos adversos. LOS TRANSGÉNICOS Y LA PRODUCCIÓN AGRÍCOLA Y ANIMAL Organismos transgénicos son aquellos que se desarrollan a partir de una célula en la que se han introducido genes que no estaban presentes en su genoma. Su objetivo es dotar a ciertas especies de características “útiles” propias de otros organismos. Estas características pueden ser tan variadas como: más peso, resistencia al frío, resistencia a ciertas infecciones, etc. Conseguir la manipulación e introducción de los genes deseados fue una técnica difícil debido a la impermeabilidad de las membranas de las células eucariotas animales y a la pared de celulosa de las vegetales. Actualmente se conocen diversas técnicas o procedimientos que superan estas dificultades; básicamente consisten en: Microinyecciones (introducción de ADN mediante microjeringa y micromanipulador). Pistolas con microbalas de metal recubiertas de ADN. Utilización de plásmidos de una bacteria simbionte como vectores de un gen. Virus inocuos o atenuados. 166 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología Ejemplos en producción agrícola: Variedades transgénicas del maíz: Resisten heladas, por incorporación de un gen de un pez resistente al frío. Resisten plagas, por incorporación de un gen del trigo. Resisten herbicidas, por incorporación de un gen bacteriano. Variedades transgénicas del trigo: Más nutritivas, resistentes a plagas y herbicidas, por incorporación de varios genes de insectos y bacterias. Variedad de tomate: Madura más lentamente por anulación de un gen que regula la maduración. Ejemplos en producción animal: Es más frecuente en peces porque la fecundación es externa. Habitualmente las técnicas utilizadas son: microinyección en zigoto y campo eléctrico que hace permeable la membrana. Ejemplos: - Carpas transgénicas: crecen un 20-40% más rápido; se consiguen introduciendo el gen de la hormona del crecimiento de la trucha arco iris; se estimula añadiendo Zn a la dieta. - Salmones transgénicos: resisten mejor las temperaturas bajas y se consiguen por incorporación de un gen de una especie de platija del ártico. - En mamíferos se ha conseguido introducir en ratones, que carecían de la hormona del crecimiento, el gen responsable de la hormona del crecimiento de la rata; los ratones transgénicos conseguidos producen 800 veces más hormona que los normales. En animales puede realizarse una clonación terapeútica que consiste en la creación de embriones por clonación para utilizarlos como materia prima en distintas terapias, o la clonación reproductiva que persigue conseguir animales genéticamente iguales a otro a partir de una célula adulta (generalmente mediante transferencia nuclear). RIESGOS La aplicación de estas técnicas sin un proceso adecuado conlleva numerosos riesgos de todo tipo: a) SANITARIO: La mayoría de los productos se destinan al consumo humano y aún no se puede afirmar con absoluta certeza que no sean perjudiciales para la salud. b) ÉTICO: ¿Hay derecho a monopolizar el uso de la información genética presente en la naturaleza? Para alimentarnos y mantenernos sanos ¿dependeremos en un futuro de las multinacionales farmacéuticas y de su infinita avaricia? ¿Debería ser gratuito el acceso a todas las ventajas de la ingeniería genética? c) TECNOLÓGICO. ¿Qué pasaría si el material genético de un virus tumoral terminara formando parte del genoma de alguna bacteria simbionte del ser humano? ¿Y si los genes que permiten la resistencia a los antibióticos entraran en el genoma de los patógenos? ¿O si los microorganismos inocuos adquirieran los genes para producir toxinas potentes como la difteria, el cólera, el botulismo o el tétanos? GENOMA HUMANO El Proyecto Genoma Humano (PGH) comenzó en EEUU en 1990 y se implicaron en él numerosos centros de numerosos países. Su objetivo era secuenciar completamente el ADN humano (averiguar la posición de todos los nucleótidos del genoma) y elaborar mapas genéticos (localizar los genes en cada uno de los 23 pares de cromosomas). Adelantándose a las previsiones iniciales, en el año 2001 se consiguió completar la secuencia de bases en el genoma humano y hoy en día, los científicos interesados pueden conseguirlo a través de Internet (sólo personas cualificadas). Ahora se estudia cuál es la función de cada una de las proteínas codificadas y las posibles interacciones entre el conjunto de todas ellas. Un poco de historia: Al poco de iniciarse el proyecto, uno de sus fundadores, Craig Venter, solicitó la patente de uno de los genes que había secuenciado; esto provocó problemas, que condujeron al cambio en la dirección del Proyecto, a la salida de Venter del consorcio público y a la fundación de una compañía privada (Celera Genomics) que, en 1999, inició la secuenciación del genoma humano utilizando un método diferente con ayuda de potentes ordenadores. El 26 de junio de 2000, Craig Venter (director de Celera Genomics) y Francis Collins (director del consorcio público) dieron a conocer las dos versiones del borrador del genoma humano, que en febrero de 2001 fueron publicadas por dos prestigiosas revistas científicas. El 14 de abril de 2003, coincidiendo con la celebración del 50 aniversario del descubrimiento de la estructura del ADN, se anuncia que el ambicioso Proyecto Genoma Humano ha concluido, y que la secuencia del genoma humano ha sido descifrada completamente. IES Alfonso II Camino Peláez 167 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología Principales características del genoma humano - El ser humano posee de 20000 a 25000 genes codificadores de proteínas, cantidad mucho menor de la esperada. Más del 40% de los genes no tienen función conocida. - Los seres humanos son idénticos en un 99,9 %, y se diferencian en apenas unos tres millones de nucleótidos de los más de 3000 millones que componen el genoma. - Al ADN no codificante, que la mayor parte del genoma, se le denominó ADN basura porque se creyó que no tenía función alguna; estudios recientes creen que regula la expresión diferencial de los genes. En septiembre de 2008, investigadores de la universidad de Yale afirmaron haber descubierto una secuencia de ADN basura, responsable de que los humanos hayan desarrollado la capacidad de agarrar o manipular objetos o herramientas. Aplicaciones del proyecto genoma humano Los investigadores médicos no esperaron para usar datos del Proyecto Genoma Humano: cuando comenzó el proyecto habían sido identificados menos de 100 genes de enfermedades humanas; al final del proyecto el número de estos genes se había elevado a más de 1400. Algunas de las posibles aplicaciones de este Proyecto son: - Encontrar una cura para enfermedades como el SIDA, el cáncer, la hepatitis B, etc. a través de la individualización y detección temprana de sus causas. - Detectar, de forma prácticamente inmediata, enfermedades genéticas. - Determinar la mayor o menor predisposición de una persona a contraer enfermedades como la diabetes o ciertos tipos de cáncer. - Facilitar la determinación de paternidades, la identificación de víctimas, etc. - Desarrollar diversas alternativas para el tratamiento de enfermedades graves, teniendo en cuenta las características particulares de cada persona, con especial interés en lo que respecta, por ejemplo, a las de origen hereditario que, en la actualidad, no poseen terapias adecuadas. - Conocer la raíz genética de las enfermedades hereditarias, lo que será útil para determinar el efecto de los medicamentos y de distintos tratamientos, como por ejemplo la quimioterapia, que no produce el mismo efecto en todos los individuos debido, en gran medida, a condicionamientos de origen genético. - Identificar genes asociados con algunas enfermedades hereditarias; ya se han identificado los de la distrofia muscular, la fibrosis quística y la enfermedad de Huntington. - Lograr el nacimiento de bebés libres de enfermedades mediante el descubrimiento de genes enfermos en embriones y terapias génicas adecuadas. - Detectar genes enfermos en personas adultas y reemplazarlos por genes sanos evitando así las enfermedades antes de que se desencadenen. El conocimiento de la identidad genética permitirá, en lo concerniente a la vida privada, establecer donde se debe vivir, que se debe consumir, a que enfermedades se es propenso, etc. Podrán saberse características de las personas tales como el nivel de inteligencia o la propensión a la calvicie ya que todas vienen grabadas de alguna manera en el ADN. Asimismo, hay quienes sostienen que con la publicación detallada del mapa del Genoma Humano la expectativa de vida de los individuos podría aumentar, especialmente en los países desarrollados. Si bien todos estos beneficios son de una importancia vital, tanto para el presente como futuro de la humanidad, es necesario establecer pautas humanitarias, jurídicas y especialmente éticas para evitar las consecuencias negativas que derivan del conocimiento del genoma. Actualmente existe un Comité Internacional de Bioética de la UNESCO, fundado en 1993 por Federico Mayor Zaragoza. Los criterios establecidos contemplan limitaciones de todo tipo para la utilización del genoma humano, por ejemplo: por motivos ecológicos, sociales, sanitarios, éticos y morales o políticos. Por otra parte se han creado varias asociaciones u organizaciones que intentan ordenar todo este proceso y evitar que el bienestar sanitario de la humanidad caiga en manos de las multinacionales farmacéuticas de tal manera que la salud sea un bien exclusivo de las clases y/o sociedades adineradas y dirigentes (véase el caso de los medicamentos para el SIDA en África, en pleno proceso judicial en el año 2001). RESUMEN Según los diferentes campos afectados por la biotecnología, se puede concluir con los siguientes apartados: A) BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA REPARACIÓN Y MEJORA DEL MEDIO AMBIENTE Utilizando microorganismos, naturales o manipulados genéticamente, se pueden resolver de diferentes y novedosas maneras, problemas de contaminación ambiental controlando la contaminación química de los ecosistemas. Con las técnicas de ingeniería genética se pueden combinar las características de diferentes microorganismos que interesen para aumentar su eficacia en ciertas cuestiones. Se pueden obtener microorganismos nuevos por combinación de ciertas características genéticas de microorganismos que ya existían. Estos nuevos microorganismos se llaman microorganismos recombinantes. 168 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología La mayoría de las aplicaciones biotecnológicas actuales se llevan a cabo con unas pocas especies de bacterias bien conocidas. Utilizando estas técnicas en la mejora del medio ambiente se puede, por ejemplo: Eliminar metales pesados. Tratar residuos urbanos o industriales. Obtener energía no contaminante. Depurar las aguas residuales. Limpiar las costas que han sufrido mareas negras. Tratar los diferentes tipos de contaminación derivados de la industria petrolífera. Tratar la contaminación producida por el uso de herbicidas, pesticidas e insecticidas. Control de mareas negras: Se llama marea negra al vertido masivo de petróleo debido, por ejemplo, a un accidente durante su transporte en grandes barcos. Es posible utilizar bacterias que digieren los hidrocarburos y los transforman en sustancias poco o nada contaminantes. El problema es que cada tipo de bacteria digiere sólo un determinado hidrocarburo y el petróleo es un conjunto de diferentes hidrocarburos. Para solucionar este problema se crean “nuevas” bacterias, por recombinación genética de diferentes bacterias naturales, para que sean capaces de digerir gran cantidad de hidrocarburos diferentes. Eliminación de metales pesados: Los iones metálicos de los elementos químicos pesados como Hg, Zn, Ni, Cu y Pb, movilizados por la acción del hombre (minería o industria) a distintos ecosistemas, constituyen un grave problema de contaminación. Los efectos contaminantes de los metales pesados superan en cuantía la suma de todos los demás tipos de contaminación química del planeta. Gracias a la ingeniería genética se han obtenido bacterias que consumen este tipo de iones pesados y los eliminan en forma de sustancias inocuas. B) BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA MEJORA DE LA SALUD De aplicación directa en la salud humana, se pueden destacar los siguientes campos de aplicación de la biotecnología: Prevención de enfermedades hereditarias. Terapia génica. Producción de vacunas. Obtención de anticuerpos monoclonales e interferones. Producción de hormonas (por ejemplo insulina y hormona del crecimiento). Producción de antibióticos y otros productos farmacéuticos. Antibióticos: Son aquellas sustancias que, producidas por determinados microorganismos, pueden inhibir o matar a otros microorganismos. Fue Alexander Fleming quien descubrió estas sustancias. Estaba trabajando con Staphylococcus aureus y su cultivo se contaminó con un hongo de género Penicillium, de forma que las colonias rodeadas por éste se morían. Fleming intuyó que en Penicillium producía alguna sustancia antibacteriana e intentó aislarla. Así descubrió la penicilina. Como es una sustancia muy inestable no consiguió purificarla para su uso farmacéutico; esto se consiguió años más tarde mediante el desarrollo del proceso industrial adecuado. Desde 1945 se han aislado cientos de antibióticos producidos por el hongo Penicillium y por bacterias de los géneros Bacillus y Streptomyces. El gran problema en la actualidad es que han comenzado a desarrollarse a un ritmo alarmante cepas de patógenos resistentes a los antibióticos y hay que modificar los ya conocidos o buscar otros nuevos. Hormonas: Las personas que sufren de diabetes mellitus deben inyectarse insulina varias veces al día. Hasta 1983 la insulina utilizada por las personas diabéticas era insulina de cerdo purificada (diferente a la humana pero funcional). A partir de esa fecha, se utiliza insulina obtenida por ingeniería genética: se ha introducido el gen de la insulina humana en la bacteria Escherichia coli, que la produce en grandes cantidades y con las mismas características que la humana. La insulina fue la primera proteína fabricada por ingeniería genética y comercializada. Por métodos parecidos hoy en día también se obtiene y comercializa la hormona del crecimiento. Hormonas sexuales masculinas y femeninas como la testosterona, la progesterona y los estrógenos que son utilizados médicamente, se obtienen por fermentación de ciertas levaduras. IES Alfonso II Camino Peláez 169 BIOLOGÍA Microbiología y Biotecnología C) BIOTECNOLOGÍA APLICADA A LA ALIMENTACIÓN Diversos microorganismos se utilizan para fabricar numerosos alimentos y bebidas: Pan. Yogur. Queso. Mantequilla. Vinagre. Vino. Cerveza. Encurtidos. Piensos para animales. Vitaminas que se añaden a alimentos o a compuestos farmacéuticos. Aminoácidos que se utilizan como aditivos alimentarios (ácido glutámico, lisina, glicina, metionina y alanina principalmente). Alimentos transgénicos, especies transgénicas. Fabricación del yogur: Se utiliza leche fermentada mediante cepas de las bacterias Lactobacillus y Streptococcus que transforman la lactosa en ácido láctico. El ácido láctico es el causante de la precipitación de las proteínas de la leche. Ambos microorganismos necesitan una temperatura de unos 45ºC para desarrollarse correctamente, por eso la leche se envasa caliente para que después siga el proceso de fermentación en estufa a dicha temperatura. Después de un enfriamiento a 4ºC, el pH del yogur es de 4 y esto dificulta la proliferación de otras bacterias. Actualmente la producción de yogures se enriquece con gran cantidad de sabores y la incorporación de nuevas bacterias. Fabricación de cerveza: El pueblo de Babilonia ya conocía la cerveza y cómo fabricarla; aunque no sabían nada de los microbios, los utilizaban. La fabricación de la cerveza se basa en la fermentación alcohólica que realizan las levaduras del género Saccharomyces. La cerveza se obtiene por fermentación de la cebada realizada por las levaduras S. cerevisae y S. carlsbergensis. Los granos de cebada se ponen a remojo, de forma que germinan y generan amilasas suficientes que hidrolizan el almidón contenido en los granos. Después se secan, dando lugar a la malta, que se puede almacenar durante mucho tiempo hasta su uso. Con la malta se obtiene el mosto de cerveza, al cual se añade el lúpulo, responsable de dar a la cerveza su sabor amargo y de conservarla impidiendo el desarrollo de nuevas bacterias. Es entonces cuando se la añade la levadura, que fermentará de nuevo durante unos cinco o diez días a la temperatura y pH adecuados. Fabricación del vino: El vino se fabrica de una manera similar (ver esquema al margen). 170 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Inmunología TEMA 15: INMUNOLOGÍA Introducción. Las defensas del organismo. Barreras pasivas. La respuesta inespecífica. Mecanismos de defensa específicos : el sistema inmunitario; la respuesta inmune. Inmunidad natural y adquirida. Inmunopatologías. El cáncer y la respuesta inmunitaria. El SIDA y sus efectos en el sistema inmune. Rechazo de trasplantes. 1.-INTRODUCCIÓN En el tema anterior ha quedado de manifiesto la amplia distribución de los microorganismos: en el suelo, en el aire, en el agua e incluso sobre nosotros mismos. Muchos de estos microorganismos (microflora normal o biota normal) viven permanentemente con nosotros ejerciendo una acción beneficiosa, pero otros se establecen ocasionalmente (microflora accidental) y algunos dan lugar a enfermedades infecciosas: son los microorganismos patógenos. En nuestro entorno hay también gran cantidad de sustancias extrañas (sustancias químicas, polvo, etc.) que pueden provocar perjuicios más o menos graves. ¿Por qué no estamos, entonces, permanentemente enfermos? ¿Cómo nos defendemos de los invasores peligrosos? La inmunología (del latín inmunitas: libre, exento) estudia los procesos implicados en el rechazo de los organismos a las sustancias extrañas o potencialmente peligrosas. El sistema inmunitario no es un conjunto de órganos que tengan continuidad anatómica entre sus componentes, pero presenta una unidad funcional muy evidente. En él participan diversos órganos, células y moléculas producidas por estas células: Las células son fundamentalmente leucocitos en sus distintas variedades y se localizan en la sangre, la linfa, los ganglios linfáticos y los espacios intercelulares de los tejidos. Las moléculas son, básicamente, los anticuerpos (proteínas de tipo inmunoglobulinas o globulinas) sintetizadas específicamente contra los epítopos o determinantes antigénicos de los antígenos extraños, pero también participan en la defensa otras moléculas que activan o favorecen diversos procesos inmunitarios. 2.-LAS DEFENSAS DEL ORGANISMO Todos los organismos han desarrollado mecanismos de defensa frente a la invasión de agentes patógenos. Estos mecanismos pueden ser inespecíficos, impidiendo la entrada en el organismo o destruyendo al extraño con rapidez, o muy específicos y en este caso se trata de una respuesta inmunitaria propiamente dicha. La respuesta inmunitaria específica es casi exclusiva de los vertebrados. La mayoría de los invertebrados presentan respuestas inmunitarias inespecíficas como la fagocitosis y la inflamación. Mecanismos de defensa Inespecíficos Específicos Estructurales Barreras pasivas o Mecánicas defensas externas Bioquímicas Ecológicas Inflamación Respuesta Células fagocitarias inespecífica El complemento El interferón Humoral: Linfocitos B Respuesta inmunitaria Celular: Linfocitos T 3.-BARRERAS PASIVAS O DE DEFENSA EXTERNA (MECANISMOS INNATOS O INMUNIDAD INNATA) Pueden ser: a) Estructurales: están constituidas por la piel y las mucosas. Estas estructuras cubren la superficie corporal externa y las cavidades digestivas y respiratorias, su integridad es fundamental para evitar la invasión de los patógenos y antígenos en general. b) Mecánicas: son los sistemas de expulsión que favorecen el arrastre hacia el exterior de microorganismos y partículas extrañas para evitar su fijación a las superficies expuestas. Por ejemplo el sistema de cilios que barre las vías respiratorias o el flujo de orina desde la vejiga hacia el exterior. c) Bioquímicas: algunas sustancias y secreciones neutralizan la acción de determinados patógenos o impiden su desarrollo y colonización. Por ejemplo: La lisozima, que está presente en la saliva y las lágrimas, es eficaz destructora de bacterias y de virus, también la espermina presente en el semen, etc. Los ácidos grasos y el ácido láctico, que se excretan en las glándulas sebáceas de la piel, acidifican el medio bloqueando el crecimiento de muchos microorganismos. IES Alfonso II Camino Peláez 171 BIOLOGÍA Inmunología El ácido clorhídrico, secretado en el jugo gástrico, destruye los microorganismos que pudieran encontrarse en los alimentos. La secreción de moco tapiza las mucosas y constituye una barrera por su capacidad de “retención” de los microbios. Algunos microorganismos, como el virus de la gripe, poseen enzimas que hidrolizan el moco para abrirse paso; a cambio de esto, el moco posee moléculas que mimetizan los receptores de la superficie celular y “cazan” a los virus que “creen” que han llegado a su destino y liberan, inútilmente, su ARN. d) Ecológicas: Están constituidas por la biota normal o microorganismos propios, comensales o mutualistas (simbióticos) que, compitiendo con los microorganismos potencialmente patógenos, impiden su asentamiento y desarrollo. 4.-RESPUESTA INESPECÍFICA Actúa cuando por alguna causa, como heridas, quemaduras o cualquier otro tipo de lesión, los microorganismos patógenos invaden los tejidos. Comprende varios procesos de carácter general, iguales frente a cualquier agente invasor, que básicamente son: inflamación, fagocitosis, el complemento y el interferón (este último sólo cuando el problema está causado por virus o por células propias alteradas, tumorales, por ejemplo). Intervienen ciertos tipos de glóbulos blancos (o leucocitos). Para su estudio, conviene recordar los distintos tipos de leucocitos: Granulocitos Serie mieloide: polimorfonucleados fagocitos Leucocitos Monocitos Serie linfoide: linfocitos Linfocitos T Linfocitos B Neutrófilos (se tiñen con colorantes neutros) Eosinófilos (se tiñen con colorantes ácidos como la eosina) Basófilos (se tiñen con colorantes básicos) Macrófagos libres (se desplazan por los espacios intersticiales) Histiocitos (permanecen fijos entre las células de los tejidos) Respuesta celular, destruyen patógenos específicos. Respuesta humoral, fabrican anticuerpos. En la respuesta inespecífica intervienen los fagocitos. Los linfocitos son los responsables de la respuesta específica. 4.1. LA INFLAMACIÓN Se desencadena cuando, por alguna causa, los gérmenes atraviesan las barreras naturales y logran llegar al tejido conectivo subepitelial. Sus características son: dolor, calor, color rojizo e hinchazón. Es un proceso muy eficaz de respuesta que se desencadena con la entrada del patógeno y que, básicamente, consiste en: 1. Producción de un estímulo, que puede consistir en la entrada de un patógeno o simplemente en un traumatismo. 2. Las células lesionadas, las del hígado y otras, liberan diferentes sustancias que actúan como mediadores de la inflamación, entre las que destacan: - Los componentes del complemento (proteínas del plasma sanguíneo que se sintetizan en el hígado) que son vasodilatadoras y atraen y activan a los fagocitos. El quimiotactismo es fundamental para atraer hacia la zona inflamada gran cantidad de fagocitos. - Ciertos productos bacterianos que resultan de la destrucción de las bacterias y que son focos de atracción y activación de fagocitos. - Factor estimulante de la leucocitosis, que provoca una liberación de fagocitos desde la médula ósea y, consecuentemente, un aumento de los fagocitos circulantes. La presencia de un mayor número de leucocitos aumenta las acciones defensivas que éstos puedan llevar a cabo. - Histamina y bradiquinina, que son moléculas vasodilatadoras que, además, estimulan las terminaciones nerviosas que perciben las sensaciones de dolor. La vasodilatación aumenta el riego sanguíneo de la zona y la afluencia de todos los elementos defensivos, leucocitos, anticuerpos y complemento a la zona afectada. - Prostaglandinas tipo E, que activan a los fagocitos, aumentan la sensibilidad de los receptores del dolor y producen una vasodilatación prolongada. La activación de los leucocitos los hace más eficaces para eliminar al patógeno. - Leucotrienos, que aumentan la permeabilidad de los capilares sanguíneos y atraen fagocitos hacia la zona inflamada. El aumento de la permeabilidad de los capilares favorece la salida, desde éstos hacia los tejidos afectados, de los leucocitos (diapédesis), los anticuerpos, el complemento y el fibrinógeno. 4.2. LA FAGOCITOSIS El proceso de inflamación se completa con la fagocitosis: Los fagocitos se encargan de eliminar microorganismos y cualquier sustancia extraña de los tejidos mediante el proceso de fagocitosis. Para que la fagocitosis resulte realmente eficaz es necesaria la activación previa de los fagocitos que se produce gracias a los procesos de la inflamación, aunque que también intervienen en este proceso de activación ciertas sustancias producidas por los linfocitos durante la respuesta específica. 172 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Inmunología En síntesis, la activación de los fagocitos consiste en la producción de algunas glucoproteínas de membrana que aumentan la capacidad de adherencia del fagocito a las partículas a fagocitar. Los primeros fagocitos en actuar son los histiocitos que se encuentran permanentemente en los tejidos; a continuación intervienen los neutrófilos, que llegan al lugar infectado por diapédesis desde los capilares de la zona y por último actúan los macrófagos que acuden desde los tejidos próximos y desde la sangre. En realidad en la sangre no hay macrófagos, hay monocitos que salen hacia los tejidos desde los capilares y, una vez fuera del torrente sanguíneo, adquieren una altísima capacidad de fagocitosis. Los eosinófilos no fagocitan; su trabajo consiste en liberar productos tóxicos para los microorganismos. Este proceso es fundamental para combatir aquellos patógenos que, debido a su tamaño no pueden ser fagocitados (por ejemplo, los parásitos eucariotas). Los basófilos y los mastocitos derivados de ellos, secretan histamina y otros mediadores de la inflamación. La fagocitosis en mucho más eficaz cuando el fagocito “acorrala” la “materia” a fagocitar contra alguna superficie como puede ser la pared de un capilar o un coágulo sanguíneo (de ahí la importancia del fibrinógeno y los coágulos con fibrina). El proceso de la fagocitosis, básicamente, consiste en: 1. Primero, el elemento a fagocitar se adhiere a los receptores de membrana adecuados del fagocito. Este encuentro resulta muy favorecido gracias a la presencia de ciertas moléculas, llamadas opsoninas, que actúan como puentes de unión entre los receptores del fagocito y la pared bacteriana o la partícula a eliminar. Esto significa que los patógenos opsonizados son fagocitados mucho más fácilmente que los que no están recubiertos de opsoninas. Las opsoninas más importantes son los anticuerpos y algunos componentes del complemento. 2. A continuación se produce la ingestión del elemento contactado por medio de la emisión de pseudópodos y la formación del fagosoma correspondiente. 3. Con el fagosoma toman contacto los lisosomas, con su contenido hidrolítico. Esto significa la muerte y digestión del patógeno ingerido. 4. Por último se produce la expulsión de todos los elementos que no han podido ser digeridos. El conjunto de fagocitos muertos, junto con los restos de los microorganismos, forman el pus que puede ser reabsorbido o expulsado al exterior. Los macrófagos se encuentran también en los ganglios linfáticos, bazo, hígado, pulmones y tejidos conectivos (constituyen el Sistema Retículo Endotelial). 4.3. EL COMPLEMENTO O SISTEMA DEL COMPLEMENTO Está formado por complejos macromoleculares de proteínas que se sintetizan en el hígado y circulan por la sangre. El nombre de complemento se debe a su capacidad para complementar y potenciar la acción de los anticuerpos. Este sistema de proteínas plasmáticas desempeña tres funciones importantes: Es un mediador de la inflamación (componentes C3a y C5a). Interviene en los procesos de opsonización, es decir que algunos de sus componentes son opsoninas (factor C3b por ejemplo). Destruye las células invasoras produciendo en sus membranas auténticos orificios que producen su lisis. Este trabajo lo realizan varios componentes de complemento que se adhieren a las células invasoras (C6, C7, C8 y C9). Para que se puedan llevar a cabo todas estas acciones es necesario que los componentes del complemento se activen y esto lo consiguen gracias a una serie de reacciones en cascada, de tal manera que el producto final de una de ellas actúa como enzima de la siguiente (esquema al margen). 4.4. EL INTERFERÓN Son moléculas de naturaleza proteica segregadas por las células infectadas por virus, que impiden que la infección se propague mediante dos acciones básicas: - Impidiendo la replicación del virus en las células que todavía no han sido destruidas por la infección. Para conseguir esto, el interferón debe tomar contacto con receptores de las células y provocar la síntesis de proteínas antivíricas en el interior de éstas. IES Alfonso II Camino Peláez 173 BIOLOGÍA Inmunología - Activando a unos linfocitos especiales, las células natural killer (o células NK), que son capaces de reconocer a cualquier célula infectada por virus y eliminarla mediante la formación de agujeros en su membrana plasmática. Las células NK también reconocen y eliminan a las células cancerosas. Además de estas acciones inespecíficas, el interferón activa a los macrófagos y ayuda en las respuestas específicas activando a los linfocitos B y modulando la síntesis de los anticuerpos y de otras sustancias reguladoras como las linfocinas. El interferón es específico para cada especie que lo produce; esto significa que el interferón que producen los ratones, por ejemplo, es eficaz contra cualquier virus que pueda infectar a los ratones pero no es eficaz contra los virus que infectan a los humanos. Mediante técnicas de ingeniería genética, actualmente se está produciendo interferón humano en ciertos microorganismos. 5.-MECANISMOS DE DEFENSA ESPECÍFICOS: LA RESPUESTA INMUNE Las moléculas ajenas a un organismo, que son reconocidas como tales y desencadenan en él una respuesta inmunitaria, reciben el nombre de antígenos. Los antígenos son diferentes en los distintos seres vivos. Una molécula que posee carácter antigénico para un organismo determinado no lo tiene para otro en el cual constituye una molécula propia. El conjunto de antígenos de un organismo marca su identidad e individualidad biológica. Los antígenos son moléculas de gran tamaño, fundamentalmente proteínas (independientes o unidas a glúcidos o lípidos) y polisacáridos complejos. También existen numerosas moléculas pequeñas que por sí mismas no son antigénicas, pero que adquieren esa capacidad al unirse a alguna proteína del organismo infectado en el que son introducidas; este tipo de moléculas se llaman haptenos (la penicilina, por ejemplo). Un antígeno puede ser una molécula libre o puede formar parte de una estructura biológica concreta, por ejemplo de la membrana plasmática, los flagelos, la cápsula o la pared de una bacteria, el cápsida de un virus, etc. Para que el sistema inmunitario desencadene una respuesta al detectar la presencia de antígenos, es preciso que éstos sean reconocidos como tales y para ello es necesario que los antígenos se unan específicamente con ciertas moléculas, denominadas receptores antigénicos, que están situadas en la membrana plasmática de algunas células del organismo infectado. El antígeno no se une al receptor antigénico en su totalidad, sino por una zona llamada determinante antigénico o epítopo, que está formada por una corta secuencia de (cuatro o cinco). Un antígeno tiene muchos determinantes antigénicos, iguales o distintos entre sí. Cualquier ser vivo es capaz de reconocer a sus propias células gracias a las moléculas glucoproteicas que todas poseen en su membrana plasmática y que son diferentes para cada especie e incluso para cada individuo. Si un organismo detecta la presencia de moléculas extrañas entre sus propias células, elabora una respuesta específica en varios frentes, que está encaminada a la eliminación total o al bloqueo químico de esas moléculas ajenas. Esa respuesta específica es el proceso llamado respuesta inmune (que genera inmunidad). Existen dos tipos o niveles de inmunidad específica: la inmunidad mediada por anticuerpos, o respuesta humoral; y la inmunidad mediada por células, o respuesta celular. En el primer caso ciertos linfocitos elaboran sustancias muy específicas como son los anticuerpos que provocan la destrucción del agente invasor. En el segundo caso, ciertos linfocitos atacan directamente al agente patógeno. En ambos casos son linfocitos sanguíneos los encargados del trabajo inmunitario, pero son linfocitos que, aunque con un origen común, han madurado en diferentes lugares u órganos. El conjunto de todos los órganos donde se originan, se transforman, maduran y se acumulan los diferentes tipos de linfocitos, constituye el sistema inmune o inmunitario. 5.1. EL SISTEMA INMUNITARIO El sistema inmunitario es un complejo conjunto de mecanismos para defenderse y rechazar las sustancias ajenas que penetran en un organismo. En vertebrados, sobre todo en aves y mamíferos, este sistema está muy desarrollado. En los invertebrados, en cambio, estos mecanismos de defensa son mucho más simples. Es un sistema biológico complejo, que se encuentra distribuido por todos los órganos y fluidos vasculares e intersticiales, excepto el cerebro, concentrándose en algunos órganos especializados como la médula ósea, el bazo, el timo y los nódulos linfáticos. La característica de este Sistema es que defiende específicamente, tanto frente a parásitos, como frente a órganos trasplantados, células cancerosas, microorganismos y sustancias tóxicas fabricadas por ellos. Presenta componentes celulares como linfocitos, macrófagos y granulocitos, moléculas solubles como anticuerpos, interleucinas, etc. y la actuación coordinada de todos sus componentes es la responsable de la inmunidad. Todas estas células y moléculas llegan a los tejidos a través del torrente sanguíneo, porque pueden salir de los vasos por diapédesis (las células), o por difusión, deambular por los tejidos y regresar de nuevo a la sangre o la linfa. 174 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Inmunología Los ganglios linfáticos sirven como filtro de la circulación a los microbios, partículas extrañas, restos tisulares y células muertas; contienen linfocitos y macrófagos y en su interior ocurren las interacciones responsables de la respuesta inmune. La base, directa o indirectamente de la respuesta inmune, y por lo tanto del funcionamiento del sistema inmune son los linfocitos en sus múltiples variedades. 5.2. LOS LINFOCITOS Se originan, como todas las células de la sangre, a partir de las células madres hematopoyéticas de la médula ósea. Son los leucocitos de la serie linfoide. A diferencia de los granulocitos que intervienen en la defensa inespecífica, los linfocitos no pueden emitir pseudópodos y por lo tanto no pueden fagocitar. La transformación de las células madres hematopoyéticas de la médula ósea en los diferentes tipos de linfocitos se lleva a cabo en los órganos linfoides primarios, que son: - El timo, que produce linfocitos T. - La propia médula ósea, que produce linfocitos B. - La bolsa de Fabricio, exclusiva de las aves, también productora de linfocitos B. Desde estos órganos linfoides primarios, los linfocitos viajan con la sangre y la linfa hasta los órganos linfoides secundarios, donde se acumulan. Son órganos secundarios importantes: - Los ganglios linfáticos. - El bazo. - Las amígdalas. - El apéndice vermiforme. - Las placas Peyer del intestino delgado. Hay tres familias de linfocitos: Linfocitos T, responsables de la respuesta celular; destruyen células alteradas o no deseadas de un modo muy específico, sólo si esas células exhiben en su membrana un antígeno específico. También cumplen la función de regular la actuación del sistema inmunitario. Linfocitos B, que controlan la respuesta humoral al formar Anticuerpos (Ac o Ig), moléculas capaces de unirse específicamente al Antígeno (Ag). Linfocitos no-B no-T, que también destruyen células diana, pero de una forma totalmente inespecífica (por ejemplo, las células NK pertenecen a este grupo). Cada familia de linfocitos se caracteriza por poseer en su membrana plasmática ciertas macromoléculas de superficie. En los Linfocitos B esas macromoléculas son los anticuerpos o inmunoglobulinas, capaces de detectar antígenos solubles. En los linfocitos T son los receptores específicos de antígenos, situados en la membrana de las células del propio organismo que han estado en contacto con el patógeno. Linfocitos T: Se activan ante la presencia del antígeno, al que sólo reconocen si se encuentra en la membrana de una célula que pertenezca a su propia especie (denominada por ello célula presentadora de antígeno) gracias a unos receptores (receptores T). Estos receptores son glicoproteínas muy polimórficas, ancladas en la membrana y unidas a un complejo molecular que se encarga de transmitir la interacción con el antígeno hacia el interior del linfocito. Es importante recordar que el sistema inmunitario sólo reconoce lo "ajeno" si es presentado por lo "propio". IES Alfonso II Camino Peláez 175 BIOLOGÍA Inmunología Las células presentadoras del antígeno pueden ser macrófagos que han fagocitado al patógeno, o cualquier otra célula del organismo que, porque ya ha sido infectada, posee antígenos del invasor expuestos en su superficie. Los antígenos presentados tienen que estar unidos a ciertas moléculas glicoproteicas denominadas autoantígenos o moléculas del CMH o Complejo Mayor de Histocompatibilidad (son varias decenas de proteínas; de cada una de ellas puede haber más de cien versiones diferentes en la población, por lo que dos individuos tienen pocas probabilidades de tener las mismas; por esta razón se consideran como los marcadores de la identidad biológica). El CMH (también HLA) es la región del genoma que codifica para la síntesis de los autoantígenos y, en la especie humana está situado en el brazo corto del cromosoma 6. Existen dos clases de autoantígenos: los de la clase I, presentes en todas las células nucleadas del organismo, y los de la clase II, presentes en las células presentadoras de antígenos y en los linfocitos B. Existen tres tipos de linfocitos T que llevan a cabo distintas funciones: a) Linfocitos T8 o TCD8, llamados así por poseer en su membrana plasmática proteínas conocidas como proteínas CD8. Se diferencian dos subgrupos de linfocitos T8: - Linfocitos TC o citotóxicos que destruyen por contacto y en pocos minutos, virus, células cancerosas, etc. Estos linfocitos, al unirse a la célula diana, liberan unas proteínas, llamadas perforinas, que originan poros en la membrana de la célula diana acarreándole la muerte. - Linfocitos TS o supresores que evitan una respuesta inmunitaria excesiva o desproporcionada, controlando la actuación de todos los demás elementos que intervienen en el proceso. Un fallo en este tipo de linfocitos puede ser el responsable de las alergias y las enfermedades autoinmunes. b) Linfocitos T4 o TCD4, llamados así por poseer en su membrana plasmática proteínas receptoras conocidas como proteínas CD4. Se distinguen dos subgrupos de linfocitos T4: - Linfocitos TH o colaboradores; su función consiste en estimular a otros linfocitos; a los B para que produzcan muchos anticuerpos y a los T8 para que se reproduzcan muy activamente. En general, intensifican la respuesta inmunitaria. - Linfocitos TD, que provocan un aumento del número de macrófagos (los macrófagos son inespecíficos, pero existe una intensa relación entre las respuestas inespecíficas y las específicas). c) Linfocitos con memoria; son linfocitos de cualquiera de los grupos anteriores, que no salen a los tejidos para luchar contra los microbios invasores, sino que se quedan en el sistema linfático durante años para facilitar respuestas inmunológicas secundarias. Los linfocitos T8 reconocen exclusivamente a los autoantígenos de la clase I y los linfocitos T4 a los de la clase II. Una vez que el linfocito T reconoce al antígeno unido al autoantígeno en la membrana de una célula, se une a ella y se activa. Los primeros en activarse son los linfocitos TH. Su activación se ve muy potenciada por la presencia de la interleucina 1, una sustancia liberada por los macrófagos. Los linfocitos TH producen y liberan entonces interleucina 2 que al mismo tiempo que autoestimula a los TH , estimula también a los linfocitos TC y TS. (La interleucina 1, liberada por los macrófagos, además de estimular a los linfocitos TH , actúa en el cerebro sobre el centro del control de la temperatura corporal, elevándola; esta reacción tiene como resultado que se sobrepase la T óptima para el crecimiento de los microorganismos; por ejemplo, el virus de la gripe no puede reproducirse por encima de los 37ºC). Linfocitos B: Se forman y maduran en la médula ósea. Allí adquieren la capacidad de fabricar los anticuerpos que van a llevar sobresaliendo de la superficie de su membrana. Cuando el linfocito B se encuentra con el antígeno complementario de su anticuerpo, y bajo la acción de sustancias segregadas también por linfocitos T, se activa y se divide para dar lugar a células plasmáticas capaces de segregar grandes cantidades de anticuerpos y células de memoria que llevan Ac en su membrana y que sobrevivirán meses o años. Los linfocitos B ya fabricaban anticuerpos antes de encontrarse con el antígeno; simplemente este encuentro activa la producción de anticuerpos y la formación de clones específicos de linfocitos B. 176 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Inmunología 5.3. LOS ANTICUERPOS O INMUNOGLOBULINAS Estructura de los anticuerpos: Son glicoproteínas formadas por una o varias unidades estructurales básicas, según el tipo de anticuerpo. Cada unidad tiene la forma de una Y formada por cuatro cadenas polipeptídicas iguales dos a dos: dos cadenas más largas o pesadas (H) y dos cadenas más cortas o ligeras (L). A cada una de las cadenas pesadas se une un glúcido, generalmente un oligosacárido. Las uniones entre las cadenas proteicas se establecen por puentes disulfuro entre cisteínas. Tanto las cadenas pesadas como las ligeras presentan dos zonas claramente definidas: una zona constante e igual para todos los anticuerpos que pertenezcan a una misma clase, a la que corresponden los grupos COOH terminales, que está situada en la base de la Y, y otra zona variable, situada en los brazos de la Y, a la que corresponden los grupos NH2 terminales, que es diferente para cada anticuerpo y la base química para la especificidad de acción. Los anticuerpos deben unirse de forma específica al antígeno y lo hacen en esa región variable (denominada zona Fab) situada en los brazos de la Y. Cada anticuerpo sencillo posee, por lo tanto, dos zonas Fab que actúan como anclajes para unirse a dos antígenos idénticos. La otra zona, la base de la Y o soporte, conocida por zona Fc, sirve de unión para los componentes del complemento y para los receptores de superficie de la membrana. Es diferente para cada clase o tipo de anticuerpo. En la base de los brazos de la Y puede haber, en las cadenas H, una zona llamada bisagra constituida por unos pocos aminoácidos por donde los brazos pueden moverse libremente respecto al resto de la molécula, lo que facilita la unión a antígenos con diferentes determinantes antigénicos. Tipos de anticuerpos: Hay cinco tipos: IgM, IgG, IgA, IgD e IgE, que se diferencian en: - Su estructura: tienen o no tienen zona bisagra, están formados por una o por varias unidades, etc. - El momento de la infección en el que aparecen. - El lugar en el que se encuentran: sangre, leche, saliva, etc. Las IgD, IgE e IgG tienen una estructura en Y similar a la descrita anteriormente. Las IgA están formadas por dos unidades similares a la descrita, que se mantienen unidas por su zona Fc (base de la Y) mediante una proteína. Las IgM están formadas por cinco unidades similares a la descrita, también unidas por sus zonas Fc mediante proteínas. Los linfocitos B se transforman en células plasmáticas que segregan grandes cantidades de anticuerpos IgM (inmunoglobulinas de baja afinidad) y luego, activados por los linfocitos T, sintetizan IgG e IgA (ambas de alta afinidad) que poseen una zona bisagra con diez residuos de glicina que les permite una mejor adaptación a la forma de los antígenos. IES Alfonso II Camino Peláez 177 BIOLOGÍA Inmunología 5.4. LA RESPUESTA INMUNE La detección de moléculas extrañas en un determinado organismo, pone en marcha todo un complejo mecanismo de proliferación y maduración de las células inmunocompetentes y de producción de anticuerpos específicos contra esas moléculas extrañas. Este complejo proceso se denomina respuesta inmune. Se distinguen dos tipos de respuesta inmune que se diferencian sobre todo por la rapidez con que se desencadenan: A) Respuesta inmune primaria: es la que se produce ante el primer contacto con un determinado antígeno. Al cabo de varios días después de ese contacto, empiezan a aparecer anticuerpos en la sangre del animal infectado. La producción de anticuerpos va en aumento exponencial hasta una fase estacionaria, después empieza a declinar (ver gráfica). Los anticuerpos formados en esta respuesta son fundamentalmente del tipo IgM (poco específicos, sin bisagra) y al cabo de varias semanas son casi imperceptibles en la sangre. B) Respuesta inmune secundaria: cuando el sistema inmunológico toma contacto por segunda vez (o posterior) con el mismo antígeno, se produce una respuesta mucho más rápida y eficaz que la anterior (ver gráfica): Hay mucho menos retraso entre la entrada del antígeno y la producción de anticuerpos. Su producción es mucho más rápida y abundante. Los anticuerpos son del tipo IgG (muy específicos y con bisagra) y permanecen en la sangre durante muchos años (a veces durante toda la vida del animal). Las características de la respuesta inmune secundaria; más rápida, más intensa y de mayor duración en el tiempo, indican claramente la existencia de una memoria inmunológica. La base de esta memoria inmunológica radica en los linfocitos (tanto linfocitos B como linfocitos T), algunos de los cuales, tras el primer contacto con el antígeno, se transforman en células de memoria de larga duración, que sobreviven gran parte de la vida del animal. Los linfocitos de memoria están continuamente circulando por el torrente sanguíneo y en los órganos linfoides secundarios, por lo que rápidamente detectan la llegada del antígeno con sus receptores específicos, se multiplican en abundantes clones y producen gran cantidad de anticuerpos IgG en muy poco tiempo. 178 IES Alfonso II BIOLOGÍA Inmunología 5.5. REACCIÓN ANTÍGENO ANTICUERPO El sistema inmunitario puede distinguir antígenos muy similares entre sí, por ejemplo dos proteínas que únicamente se diferencien en un aminoácido; por ello puede responder a millones de antígenos extraños diferentes de una manera altamente específica mediante la producción de anticuerpos que reaccionan exclusivamente con el antígeno que ha inducido su formación. La Teoría de la Selección Clonal explica cómo es posible que, en muy poco tiempo, se consigan grandes cantidades de un determinado tipo de linfocito B que puedan fabricar un determinado anticuerpo: Esta teoría se basa en que, durante su desarrollo, cada linfocito B queda destinado a reaccionar con un determinado antígeno antes de haber tenido contacto con él; cada linfocito B presenta en su superficie celular unos receptores específicos que se adaptan específicamente a ese determinado antígeno. La unión del antígeno a estos receptores de antígenos, activa la reproducción de los linfocitos B, dando lugar un clon de células que tendrán la misma especificidad antigénica, incluso más perfeccionada. Es decir, la llegada de un antígeno extraño estimula selectivamente a aquellos linfocitos B que presentan los receptores complementarios que son más específicos para con ese antígeno y, por consiguiente, están listos para responderle adecuadamente. Al entrar en contacto, antígenos y anticuerpos establecen uniones mediante enlaces no covalentes (fuerzas de Van der Waals, puentes de hidrógeno, atracciones hidrofóbicas, etc.) y se desencadenan una serie de procesos capaces de neutralizar y eliminar a la sustancia extraña (al antígeno). La unión entre ellos es reversible, depende de sus concentraciones y también de su afinidad; cuanto mayor sea ésta, más proporción de moléculas estarán unidas. Existen diferentes tipos de reacción antígeno-anticuerpo: Aglutinación Precipitación Al unirse Ag y Ac solubles El Ac se une a Ag situados en se forman agregados la superficie de una célula insolubles que precipitan. (ej: bacteria). Neutralización El Ac bloquea la acción del Ag contra las células. La unión antígeno - anticuerpo no es suficiente para la eliminación del agente extraño; se precisa de la colaboración de otros elementos (complemento, células fagocitarias y células NK). Los anticuerpos opsonizan a los antígenos y a los patógenos que los portan. Así, el conglomerado antígeno - anticuerpo puede ser fagocitado por los macrófagos. También actúan como opsoninas las Natural Killer y las moléculas del Complemento, estimulando, al unirse al complejo antígeno - anticuerpo, la fagocitosis por parte de los macrófagos. 5.6. LA INMUNIDAD NATURAL Y LA INMUNIDAD ADQUIRIDA El Sistema Inmunitario está capacitado para combatir y eliminar células o moléculas ajenas; sin embargo, en países subdesarrollados, las enfermedades infecciosas “clásicas” siguen siendo una de las principales causas de mortalidad, mientras que en los más industrializados se está produciendo un aumento de enfermedades que se creían controladas, como la tuberculosis, y han aparecido otras como el SIDA. La prevención de estas enfermedades, es pues, una preocupación actual. Se denomina profilaxis al conjunto de medidas tomadas para prevenir la enfermedad. Una manera de prevenirla, es conseguir inmunidad. IES Alfonso II Camino Peláez 179 BIOLOGÍA Inmunología Existen varios tipos de inmunidad, según el modo en que se ha conseguido: a) Inmunidad inespecífica o resistencia natural: Este tipo de inmunidad puede deberse a la ausencia del receptor que facilita la entrada del microorganismo. Así, por ejemplo los humanos y los primates son infectados por poliovirus porque en sus membranas tienen receptores que permiten la fijación de estos virus, en cambio los conejos, que no presentan tales receptores, son inmunes a dicha infección. La resistencia natural tiene una gran importancia para la protección del individuo que se encuentra en un sistema ecológico donde la agresión biológica es constante, sin embargo no es suficiente para asegurar la supervivencia. TIPOS DE INMUNIDAD Inespecífica o resistencia natural Espontánea Activa Artificial Adquirida Espontánea Pasiva Artificial b) La inmunidad adquirida activa: Es el propio sujeto el que desarrolla la respuesta frente a antígenos concretos. Puede ser: Espontánea: por estar en contacto con el agente, aunque el individuo no presente síntomas de la enfermedad o por superar la enfermedad. Artificial: se adquiere mediante las vacunas. c) Inmunidad adquirida pasiva: Se consigue cuando hay transferencia de anticuerpos desde el individuo que los ha fabricado activamente por estar en contacto con los antígenos, hasta otro individuo que los recibe. Puede ser: Espontánea: cuando el paso de anticuerpos es de la madre al hijo a través de la placenta o de la leche materna en los primeros días de lactancia. Artificial: cuando los anticuerpos se administran en preparados biológicos, como es el caso de los sueros. Las Vacunas Son preparados antigénicos constituidos por microorganismos no virulentos, microorganismos muertos o simples moléculas no tóxicas con propiedades de determinantes antigénicos. Se obtienen a partir de microorganismos u otros agentes infecciosos que inducen en el individuo a generar una inmunidad adquirida activa frente a esos agentes inoculados, con un mínimo riesgo de reacciones locales o generales. Las vacunas deben cumplir, como mínimo, dos propiedades: a) Eficacia, para desencadenar la respuesta inmune correcta. b) Inocuidad; tiene que carecer de poder patógeno y lograr el objetivo sin interferir en la respuesta inmune. Los Sueros Mediante los sueros se consigue una inmunidad inmediata ya que los preparados biológicos inoculados contienen los anticuerpos específicos que se precisan con urgencia. Es una intervención más rápida pero menos duradera e intensa que la provocada por la vacunación. El paciente no participa en la elaboración de moléculas, por tanto es una inmunidad adquirida pasiva. Existen dos tipos de sueros: Los obtenidos de humanos, que poseen anticuerpos para un determinado antígeno (sueros homólogos). Los procedentes de otras especies, que contienen anticuerpos para patógenos humanos (sueros heterólogos). Así, por ejemplo, se obtienen las antitoxinas que son eficaces frente al veneno de las serpientes, escorpiones y arañas. La Serovacunación Es un conjunto de medidas preventivas que combinan la vacunación y los tratamientos con sueros adecuados. Este procedimiento incluye la administración del suero preciso y la vacunación. La inmunidad pasiva del suero actúa en los primeros momentos de la urgencia y posteriormente es sustituida por la inmunidad activa de la vacuna. Se emplea en tratamiento de tétanos, botulismo y rabia. 6.- INMUNOPATOLOGÍAS 6.1. ENFERMEDADES AUTOINMUNES Las células del sistema inmunitario (linfocitos, macrófagos y otras) han de aprender a tolerar cada célula, e incluso cada proteína, del propio organismo sin dejar por ello de atacar a los invasores externos. Los linfocitos inmaduros que responden ante elementos del propio cuerpo representan una amenaza y si una célula inmunitaria reacciona ante un producto del propio organismo mientras se está formando en el timo o en la médula ósea, suele ser destruida o, al menos, inactivada. El linfocito maduro que se comporte del mismo modo sufrirá el mismo destino. Sin embargo, a pesar de estos mecanismos de seguridad, algunos linfocitos que reaccionan contra “lo propio” escapan a la inactivación o destrucción y pueden causar enfermedades llamadas autoinmunitarias. 180 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Inmunología Las enfermedades de autoinmunidad pueden afectar a cualquier órgano, si bien algunos se ven afectados con más frecuencia que otros, por ejemplo: La sustancia blanca del cerebro y de la médula espinal en la esclerosis múltiple. Los revestimientos de las articulaciones en la artritis reumatoide. Las células secretoras de insulina en la diabetes mellitus juvenil. Otras enfermedades autoinmunes destruyen las conexiones entre nervios y músculo (miastenia gravis), hiperproducen hormona tiroidea en la glándula tiroides (enfermedad de Graves), producen ampollas en la piel (pénfigo vulgar) o destruyen los riñones y otros órganos (lupus eritematoso sistémico). 6.2. FENÓMENOS DE HIPERSENSIBILIDAD: ALERGIAS La respuesta alérgica es una intensa reacción de ciertos componentes del sistema inmunitario contra una sustancia extraña (alérgeno) que, por lo general, es inofensiva. Diferentes alérgenos provocan síntomas dispares, en parte porque atacan al sistema inmunitario en diferentes puntos del organismo. Con frecuencia el ataque se produce: En el tracto respiratorio superior, produciendo estornudos y congestión nasal: rinitis alérgica. En el tracto respiratorio inferior, causando constricción y obstrucción de los bronquios, participando, por tanto, en el desarrollo de síntomas asmáticos. En el tracto gastrointestinal, provocando, a veces, nauseas, espasmos abdominales, diarrea y vómitos. Si un alérgeno, introducido por cualquier vía, llega a la circulación sanguínea, puede inducir el proceso de hipersensibilización grave, conocido como anafilaxis. Aunque las manifestaciones externas de la respuesta alérgica varían, ésta siempre se pone en marcha mediante un proceso silencioso de sensibilización. El proceso empieza cuando los macrófagos degradan el alérgeno y muestran los fragmentos resultantes a los linfocitos T; éstos segregan interleucinas que hacen que los linfocitos B maduren y se transformen en células plasmáticas que secretan inmunoglobulinas; estos anticuerpos se unen a sus receptores en los mastocitos (glóbulos blancos no circulantes que se encuentran en el tejido conjuntivo) y en los basófilos circulantes en sangre. En posteriores contactos con el alérgeno, las moléculas de alérgeno se unen a anticuerpos IgE de los mastocitos, con lo que se desencadenan una serie de reacciones que llevan a la secreción por parte de los mastocitos de histamina y otras sustancias que serán las responsables de muchos síntomas alérgicos. 7.- EL CÁNCER Y LA RESPUESTA INMUNITARIA Las células cancerígenas se parecen a las células normales del cuerpo en muchos aspectos. Aun así, actúan como organismos extraños, reproduciéndose rápidamente e invadiendo los tejidos. Además, las células cancerígenas tienen moléculas en su superficie celular que difieren de las de las células normales y que pueden ser identificadas como extrañas, es decir, como antígenos. Cada vez hay más pruebas que indican que el cáncer no sólo puede inducir una respuesta inmunitaria sino que es un hecho que se suele producir constantemente, de modo que las células cancerígenas son suprimidas mucho antes de que se detecte el cáncer. Como ya se ha estudiado en el Tema 13, el cáncer se produce, bien como consecuencia de mutaciones de los genes responsables del control celular, o bien debido a los oncogenes transportados por los virus. Las células cancerosas no se atienen a ningún control celular y se multiplican indefinidamente, produciendo en el organismo del enfermo daños de tal magnitud que pueden llevarle a la muerte. IES Alfonso II Camino Peláez 181 BIOLOGÍA Inmunología La transformación de células normales en cancerosas supone el cambio de algunas de las características que poseía la célula normal. Se sabe, por ejemplo, que cambian los antígenos de superficie, aunque no los del CMH (o HLA). Este cambio de los antígenos de superficie puede deberse a las mutaciones producidas en los genes que controlan la división celular, bien por la acción de agentes cancerígenos o por la introducción de moléculas de ADN y ARN vírico en las células del enfermo. Debido a este cambio de antígenos de superficie, los linfocitos T reconocen las células cancerosas como extrañas, y producen clones de linfocitos T que actúan, aunque a veces sin éxito, para destruir dichas células cancerosas antes de que alcancen su máximo desarrollo y ya no puedan ser eliminadas. Teniendo en cuenta todo esto, es evidente pensar que los cánceres que se desarrollan representarían fallos ocasionales del sistema inmunitario, bien porque está deprimido por algún tipo de enfermedad psíquica o somática, o porque las células cancerosas se producen tan repetitivamente que agotan la capacidad de respuesta inmunológica del individuo. Si se pudiera reforzar la respuesta inmunitaria se podría avanzar en el proceso de lucha contra el cáncer. Los tratamientos habituales de esta enfermedad consisten en la eliminación de las células enfermas por el medio más adecuado posible: quirúrgico, radiológico, químico, etc; sin embargo últimamente, se están utilizando también tratamientos que se basan en proporcionar refuerzos a la respuesta inmune del enfermo y en ese camino va el desarrollo de los anticuerpos monoclonales. ANTICUERPOS MONOCLONALES Y POLICLONALES Los anticuerpos monoclonales son formas puras de anticuerpos capaces de reconocer a un único antígeno, por lo que pueden servir para descubrir cambios mínimos en la superficie de la célula. El gran interés de estos anticuerpos se basa en su gran cantidad de aplicaciones, desde la investigación básica al diagnóstico médico, detención del cáncer y tratamiento de distintas enfermedades. En un principio, y mediante trabajos exhaustivos, fue posible separar diferentes clones de células plasmáticas y obtener anticuerpos purificados, sin embargo los rendimientos eran bajos y las células plasmáticas morían rápidamente en los cultivos de tejidos. Estas dificultades, afortunadamente, fueron superadas en 1975, en lo que se puede considerar un ejemplo de la Universalidad de la Ciencia, por César Milstein (un científico que escapó de la represión militar en Argentina) y por el suizo Georges Kohler, trabajando juntos en el laboratorio de Biología Molecular de la Universidad de Cambridge. Estos científicos, que recibieron por este trabajo el Premio Nobel de Medicina de 1984, desarrollaron una nueva técnica basada en la fusión de células plasmáticas de ratón con células de mieloma (un tipo de cáncer), de forma que este nuevo tipo de célula fusionada combina las propiedades de ambas células: fabrica anticuerpos como los linfocitos plasmáticos y es inmortal y crece rápidamente como las células cancerosas del mieloma. Actualmente esta técnica está tan perfeccionada que se pueden obtener anticuerpos monoclonales humanos a partir de células plasmáticas y células de mieloma humano. El empleo de estos anticuerpos monoclonales parece que puede llegar a ser una de las terapias más eficaces en el tratamiento del cáncer: Puesto que las células cancerosas poseen en su superficie celular antígenos distintos a los que se encuentran en la superficie de las células normales, se especula con la posibilidad de cargar anticuerpos monoclonales con agentes anticancerosos y dirigirlos con su carga mortífera a las células enfermas, carga que además, por ser altamente específica, no perjudicaría a las células sanas. Con este método se evitarían algunos de los peores efectos secundarios de las terapias actuales contra el cáncer. Sin embargo, problemas técnicos aún sin resolver impiden por ahora poner en marcha está terapia. Los anticuerpos policlonales se producen cuando un antígeno tiene varios determinantes antigénicos (frente a él se generan anticuerpos de varios tipos: (anticuerpos policlonales). 182 IES Alfonso II Camino Peláez BIOLOGÍA Inmunología 8.- EL S I D A Y SUS EFECTOS EN EL SISTEMA INMUNE Aunque ya se ha estudiado el virus del SIDA en el tema anterior, conviene recordarlo ahora. El virus del S.l.D.A es un retrovirus, conocido como virus de la inmunodeficiencia humana (VIH). Está constituido por dos moléculas iguales de ARN monocatenario acompañadas de dos o más moléculas del enzima retrotranscriptasa (o transcriptasa inversa). Su cápsida es icosaédrica y está formada por dos envolturas proteicas distintas que a su vez, están rodeadas por una bicapa lipídica con glucoproteínas insertas. Las porciones proteicas de las moléculas superficiales contienen regiones constantes idénticas para las distintas cepas del virus, pero también regiones muy variables. Cuando el VIH entra en el organismo, las glucoproteínas externas se unen a las moléculas CD4 (receptores de membrana) de los linfocitos T colaboradores (los T4 o helper) o a receptores de los macrófagos. A continuación se fusiona con la membrana y entra en el interior del linfocito. Un poco de historia: El virus fue identificado por primera vez en 1981 al observarse la aparición en hombres jóvenes de un tumor maligno (Sarcoma de Kaposi) que afecta a los revestimientos endoteliales de los vasos sanguíneos y que hasta entonces sólo se había observado en hombres de edad avanzada. En la misma época y también en hombres jóvenes se detectó un incremento de neumonías e infecciones fatales del tracto intestinal causadas por protistas ubicuos pero habitualmente inocuos. Anteriormente estas enfermedades se habían observado en pacientes cancerosos y en receptores de transplantes cuyos sistemas inmunes habían sido suprimidos. Estos hechos sugerían que la causa era una supresión masiva del sistema inmune. Las primeras imágenes al microscopio electrónico se identificaron, en febrero de 1983, en el Instituto Pasteur de París por el profesor Luc Montaigner. En 1996, un equipo de trabajo del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas de EEUU, encabezado por Edward Berger, identificó, en la cara exterior de la membrana de los linfocitos T, una proteína a la que denominaron fusina, que permite la entrada del VIH en la célula. La hipotética función normal de esta proteína se desconoce; se sabe que está formada por 352 aminoácidos y que pertenece al grupo de las proteínas receptoras G, conocidas como facilitadoras de la entrada en la célula de los virus y otros agentes patógenos; se sospecha que los macrófagos tienen una proteína similar. Juntamente con la fusina, en los últimos años se han descubierto otras moléculas de función similar, que se denominan correceptores. Recientemente se ha visto que, entre los mecanismos que explican la resistencia de algunas personas probablemente inmunes a la infección, existe también una causa genética. Alrededor de un 1% de la población europea es deficiente para alguno de aquellos correceptores y, por tanto, resistente a la infección por VIH. Una vez dentro de la célula, el ARN se libera de la cápsula que lo contiene y la transcriptasa inversa cataliza la transcripción al ADN complementario y su incorporación a un cromosoma de la célula hospedadora. (Esta etapa es extremadamente sensible a los inhibidores de dicho enzima). A continuación comienza a replicarse originando nuevas partículas virales que salen del linfocito T e invaden otros. Frecuentemente el linfocito T resulta destruido. Se sabe que la replicación del VIH se produce desde las fases más precoces de la infección, y en tasas muy elevadas, por medio de continuados ciclos de infección. Si el seropositivo no enferma hasta transcurrido un tiempo es porque el organismo dispone de herramientas eficaces para hacerle frente. En un solo día pueden originarse, en una persona infectada, del orden de 1000 millones de nuevas partículas víricas, produciéndose cada 48-72 horas la renovación de buena parte de los virus circulantes y de los linfocitos infectados. Esta situación amplifica enormemente la variabilidad genética del virus, la cual se produce como consecuencia de los errores de copia que tienen lugar durante la transferencia de información desde el ARN viral hasta el ADN. Muchas de las variantes genéticas originadas por mutación resultan letales, pero algunas se acumulan y llegan a formar un cúmulo de variantes que explicaría que, finalmente, el sistema inmunitario acabe por fracasar ante la imposibilidad de mantener una lucha contra un enemigo inestable. Algunas de las formas mutantes del virus implican cambios en la estructura de los péptidos que actúan como determinantes antigénicos. Aunque muchos de estos cambios no parecen afectar a la actividad del sistema inmunitario, distintos investigadores han sugerido que algunos pueden hacer que determinado péptido se vuelva invisible a las defensas del organismo (mutantes elusivos). Este encadenamiento de determinantes antigénicos variables y mutantes escurridizos explica la pervivencia de la infección y la dificultad de erradicarla, además de complicar la búsqueda de vacunas. IES Alfonso II Camino Peláez 183 BIOLOGÍA Inmunología Transmisión del virus Los estudios epidemiológicos realizados en Europa, América, África y Australia han documentado de forma reiterada que solamente hay tres formas de transmisión del VIH: Por relación sexual (homosexual o heterosexual) con personas infectadas. Por contacto con la sangre, hemoderivados, semen y órganos transplantados de personas infectadas. Por transmisión de madre infectada a hijo, la mayor parte de las veces antes del nacimiento y quizás durante el parto (transmisión perinatal). Prácticas de riesgo: Compartir la misma jeringuilla o agujas (piercing, tattooing), sin desinfectar. Las relaciones sexuales con personas enfermas o portadoras, especialmente con penetración anal, sin utilizar preservativos. Las relaciones sexuales que pueden producir heridas entre personas con riesgo de contagio. 9.- RECHAZO DE TRASPLANTES Desde hace algún tiempo se recurre a la técnica de transplantes para solucionar situaciones que ponen en peligro la salud de un individuo. Requiere la implantación de tejidos u órganos que reúnan las condiciones adecuadas para la supervivencia del receptor y se pueden clasificar de la siguiente manera: Autotrasplante o autoinjerto: si el tejido trasplantado procede del mismo organismo; es movido de una posición a otra. Esta situación siempre tiene éxito, si las técnicas quirúrgicas y asépticas son las adecuadas. Isotrasplante: si el donante y el receptor son gemelos genéticamente iguales. Alotrasplante: es la posibilidad más frecuente; el donante y el receptor son individuos de la misma especie pero genéticamente diferentes. Xenotrasplante o xenoinjerto: si se realiza entre individuos de diferente especie, como entre el cerdo y el hombre o entre el chimpancé y el hombre. En los dos últimos casos el tejido trasplantado genera, por parte del receptor, una respuesta inmune destructiva que se denomina rechazo. Tiene su origen en la existencia de proteínas de superficie en las membranas (moléculas del CMH), que son reconocidas como extrañas y desencadenan la respuesta inmune específica. Con el fin de evitar estos problemas, se realizan pruebas previas de histocompatibilidad entre el receptor y los posibles donantes. La experiencia demuestra que algunos lugares anatómicos son privilegiados y, en porcentajes muy elevados, no generan rechazo. Es el caso del trasplante de córnea. Por lo general, en todas las demás intervenciones debe tratarse al paciente con inmunosupresores inespecíficos, con el consiguiente riesgo de enfermedades infecciosas en el postoperatorio. También se puede aplicar un tratamiento de inmunosupresión específica, mucho más difícil de conseguir pero mucho menos peligroso. 184 IES Alfonso II Camino Peláez
