Biomoléculas Archivo - Universidad de Antioquia

UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN
LA TEORÍA CELULAR
En 1838 Matthias Schleiden con sus estudios microscópicos en tejidos vegetales y
Theodor Schwann (1839) con tejidos animales llegaron a la misma conclusión:
“Todos los organismos están compuestos de células”. Posteriormente se
reconoció que las células son la unidad fundamental de los organismos vivos, que
provienen de otras preexistentes a través del proceso de división, y que todas las
células vivas de hoy tienen antecesoras que se remontan a tiempos antiguos, lo
cual en su conjunto constituye la teoría celular (1).
LA DIVERSIDAD DE LAS CÉLULAS
Al igual que nosotros, muchos organismos están formados por millones de células
organizadas en estructuras complejas que realizan funciones específicas. Sin
embargo muchos otros consisten de una única célula (2).
La célula tiene la maquinaria indicada para obtener materiales del ambiente y
generar una nueva célula que contendrá una copia de la información hereditaria
(3).
Las células tienen gran variedad de formas y tamaños. Algunas se mueven
rápidamente y tienen estructuras que pueden cambiar; otras son estacionarias y
tienen una estructura estable. El oxígeno mata algunas células, pero es totalmente
requerido por otras. A pesar de estas y otras diferencias, todas las células
comparten ciertas estructuras y llevan a cabo algunos procesos muy complicados
básicamente de la misma manera (2).
CARACTERÍSTICAS DE LAS CÉLULAS
Uno de los interrogantes centrales de la biología es ¿qué es la vida? Sin embargo
y debido a que esta pregunta tiene un gran trasfondo filosófico, no es posible
responderla de manera sencilla y por lo tanto puede resultar más apropiado
preguntarnos ¿qué son los seres vivos? Existen algunas propiedades que pueden
permitir distinguir los organismos vivientes de los objetos inanimados (4). En
general los organismos vivos poseen ciertas características comunes:
Son altamente organizados: una célula es un sistema de moléculas con
temperatura constante que se autoensambla, se autoajusta, se autoreproduce,
y extrae energía y los materiales precursores de su ambiente.
Toman energía del ambiente: los organismos vivos pueden crear y mantener
sus estructuras complejas y altamente ordenadas porque usan la energía que
extraen en su gran mayoría de combustibles orgánicos o del sol.
Dependen
de
reacciones
químicas
particulares:
muchas
de
las
transformaciones químicas que ocurren en las célula se encuentran
organizadas en una red de vías de reacción que dependen o son aceleradas
por catalizadores específicos, conocidos como enzimas, las cuales son
producidas por la misma célula.
Tienen
la
capacidad
de
reproducirse
y
generar
descendencia:
la
autoreplicación (reproducción) durante muchas generaciones se asegura por la
existencia de un sistema codificador de información que tiene la capacidad de
replicarse y autorepararse.
Están compuestos de moléculas orgánicas basadas en carbono: todos los
organismos vivos construyen moléculas a partir de los mismos tipos de
subunidades monoméricas, las cuales están formadas principalmente por
combinaciones variables de carbono con hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Entre
estas son particularmente importantes los ácidos nucléicos, los lípidos, las
proteínas y los carbohidratos.
Pueden responder a estímulos del medio: los seres vivos están adecuados
para su ambiente y usualmente se adaptan a los cambios que ocurren a su
alrededor, de manera que se establece una relación dinámica con el entorno;
sin embargo, esa interacción hace que las modificaciones drásticas del medio
puedan tener también consecuencias catastróficas para el individuo (4).
LAS CÉLULAS SON EUCARIOTAS O PROCARIOTAS
El universo biológico consiste en dos tipos de células: procariotas o eucariotas.
Las células procariotas consisten en un único compartimento cerrado rodeado
por única membrana plasmática, carece de núcleo y tiene una organización
interna simple, en la que sus compartimentos no están rodeados por una
membrana (2).
La mayoría de las células procariotas son pequeñas y aparentemente simples y
viven como individuos independientes sin formar individuos pluricelulares.
Típicamente tienen una forma esférica o de bastoncillo de apenas unas cuantas
micras.
Los procariotas son organismos muy diversos bioquímicamente. Incluyen especies
organotrofas que pueden utilizar prácticamente cualquier tipo de molécula
orgánica como alimento, desde azúcares o aminoácidos hasta hidrocarburos o gas
metano. Otras especies son fototrofas que recolectan la energía de la luz por
diversas vías. También hay especies litotrofas que pueden obtener toda su
energía y todos su nutrientes a partir de fuentes químicas inorgánicas (3). Un
ejemplo de células procariotas son las bacterias (2).
Las células eucariotas poseen un núcleo bien definido con una membrana que lo
rodea y membranas internas que encierran otros compartimentos, las organelas.
La región comprendida entre la membrana plasmática y el núcleo es el citoplasma
(2).
En general, las células eucariotas son mayores y sus genomas son más grandes
que los de las procariotas. Además muchos tipos de células eucariotas pueden
formar organismos pluricelulares que adquieren un alto nivel de complejidad (3).
Los eucariotas comprenden todas las plantas, animales, protistas y hongos (2).
Hay diferencias importantes entre las células vegetales y animales.
Las células animales tienen ciertas estructuras que no poseen las vegetales,
como ejemplo citaremos los lisosomas, organelas especializadas en la digestión
intracelular. Otras estructuras propias de las células animales son los centriolos y
los flagelos. Sólo las células espermáticas de unas pocas especies de plantas
llevan flagelos, los cuales son muy diferentes en estructura a los de las células
animales (7).
Así mismo las células vegetales poseen ciertas estructuras que no tienen las
animales. Por ejemplo, la célula vegetal tiene una pared celular que la protege y
le ayuda a conservar su forma. Otro ejemplo son los cloroplastos, organelos donde
ocurre la fotosíntesis. Así mismo la gran vacuola central es propia de las células
vegetales, y contiene enzimas que llevan a cabo la digestión celular, cumpliendo la
misma función que el lisosoma en la célula animal (7).
LAS MOLÉCULAS DE LA VIDA
Todos los seres vivos están compuestos por moléculas, algunas de las cuales son
idénticas a las encontradas en la materia inerte. Sin embargo, los seres vivos
contienen moléculas específicas que normalmente no se encuentran en objetos
inanimados. Estas moléculas de la vida, que por lo general son grandes y
complejas, pueden contener miles o incluso millones de átomos (4).
Los seres vivos son el resultado de las reacciones químicas que ocurren en forma
permanente al interior de ellos. Para desarrollarse, crecer y sobrevivir, todo ser
viviente, desde la bacteria más simple y pequeña, hasta el animal más grande y
complejo, debe obtener de su ambiente las moléculas que necesita para sintetizar
las moléculas estructurales esenciales que constituyen su organismo (4).
No existe nada en los seres vivos que vaya en contra de las leyes de la química.
Sin embargo, la química de la vida es de un tipo muy especial. Primero: se basa
casi completamente en compuestos de carbono. Segundo: las células contienen
un 70% de agua y la mayoría de reacciones ocurren en solución acuosa. Tercero:
la química de la vida es enormemente compleja. (3)
Agua
El agua es la sustancia más abundante de las células. La vida en la tierra se
originó en el océano y las condiciones de ese entorno quedaron grabadas en la
química de los seres vivos. La vida, por lo tanto, depende de las propiedades del
agua (3).
En cada molécula de agua (H2O) los dos átomos de hidrógeno (H) se unen al
átomo de oxígeno (O) mediante enlaces covalentes (Figura 1.1). Los dos enlaces
son muy polares debido a que el oxígeno atrae fuertemente a los electrones,
mientras que el hidrógeno los atrae muy poco. Así, en cada molécula de agua los
electrones se distribuyen de forma desigual, con un exceso de carga positiva en
ambos átomos de H y de carga negativa en el O, formando un dipolo que permite
la formación de los puentes de hidrógeno entre ellas (3).
Figura 1.1 Estructura de la molécula de agua.
Las moléculas que contienen enlaces polares, como los alcoholes, y que pueden
formar enlaces de hidrógeno con el agua, se disuelven rápidamente en agua. Las
moléculas que tienen cargas positivas o negativas interactúan favorablemente con
el agua y por lo tanto se denominan hidrofílicas. Una gran proporción de las
moléculas del entorno acuoso de una célula pertenecen necesariamente a esta
categoría e incluyen los azúcares, el ADN, el ARN y la mayoría de proteínas. Por
el contrario, las moléculas hidrofóbicas (que repelen el agua) permanecen sin
carga y forman pocos enlaces de hidrógeno o no forman ninguno, por lo que no se
disuelven en agua. Dentro de esta categoría se encuentran los hidrocarburos (3).
Las pequeñas moléculas orgánicas de la célula generalmente se encuentran
disueltas y participan en funciones muy diversas. Algunas de estas se utilizan
como unidades monoméricas en la construcción de gigantescas macromoléculas
poliméricas.
Las células contienen cuatro familias principales de macromoléculas orgánicas;
estas son: proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos (3).
Proteínas
Son las más variadas de las macromoléculas y cada célula contiene varios miles
de proteínas diferentes que realizan una amplia gama de funciones. Los papeles
de las proteínas incluyen servir como componentes estructurales de las células y
tejidos, actuar en el transporte y almacenamiento de pequeñas moléculas,
transmitir información entre células y proporcionar una defensa frente a la
infección. La propiedad fundamental de las proteínas, sin embargo, es su
capacidad para actuar como enzimas que catalizan casi todas las reacciones
químicas en los sistemas biológicos. De este modo las proteínas dirigen
virtualmente todas las actividades de la célula (1).
Los aminoácidos son las subunidades por las que están compuestas las proteínas;
son una clase heterogénea de moléculas que tienen una propiedad característica:
presentan un grupo ácido carboxilo y un grupo amino unido a un mismo carbono
llamado carbono α (Figura 1.2). Los aminoácidos se diferencian entre sí por su
cadena lateral (R), que también está unida al carbono α (3).
carbono
α
Grupo carboxilo
carbono
α
O
H3C
Cadena lateral (R)
O
OH
pH 7
-Grupo carboxilo
H3C
O
+
NH2
H3N
Grupo amino
Grupo amino
Figura 1.2 Estructura del aminoácido alanina.
Los aminoácidos forman las proteínas por medio de uniones cabeza-cola. La
unión covalente entre dos aminoácidos adyacentes se conoce como enlace
peptídico; la cadena de aminoácidos también se denomina polipéptido.
Independientemente de los aminoácidos que lo componen, el polipéptido tiene un
grupo amino (NH2) en uno de sus extremos (su extremo N-terminal) y un grupo
carboxilo (COOH) en el otro (su extremo C-terminal) (3).
Existen 20 aminoácidos diferentes que componen las proteínas, cada uno con una
cadena lateral diferente unida al átomo de carbono α. La versatilidad química que
proporcionan los 20 aminoácidos es de vital importancia para la función de las
proteínas. Cinco de los aminoácidos tienen cadenas laterales que pueden formar
iones en solución, de manera que pueden tener carga eléctrica. Los otros no
tienen carga; algunos son polares e hidrofílicos y otros son no polares e
hidrofóbicos (3).
La secuencia aminoacídica de una proteína es sólo el primer elemento de su
estructura. Más allá de ser cadenas extendidas de aminoácidos, las proteínas
adoptan distintas conformaciones tridimensionales que son críticas para su
función. Estas conformaciones son el resultado de interacciones entre sus
aminoácidos constituyentes, así que la forma de las proteínas está determinada
por su secuencia de aminoácidos (1).
La estructura de una proteína se describe generalmente en cuatro niveles:
La estructura primaria: es la secuencia de aminoácidos en su cadena
polipeptídica.
La estructura secundaria: es la disposición regular de aminoácidos dentro
de regiones localizadas del polipéptido. Existen dos tipos principales de
estructuras secundarias: las hélices α y las láminas β, las cuales están
sostenidas por enlaces de hidrógeno entre los grupos CO y NH de los
enlaces peptídicos.
La estructura terciaria: es el plegamiento del polipéptido como un resultado
de interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos que yacen
en diferentes regiones de la secuencia primaria. Un determinante crítico de
la estructura terciaria es la localización de los aminoácidos hidrofóbicos en
el interior de la proteína y de los hidrofílicos en la superficie, donde
interactúan con el agua.
La estructura cuaternaria: es definida como el nivel en el cual las cadenas
polipeptídicas con estructura terciaria se agregan para formar homo o
hetero-multímeros, que son proteínas compuestas de más de un polipéptido
(1, 5).
De esta manera, las distintas características químicas de los 20 aminoácidos
conducen a variaciones considerables en la conformación tridimensional de las
proteínas.
Consecuentemente,
las
proteínas
constituyen
macromoléculas
extremadamente complejas y diversas adecuadas para la amplia variedad de
tareas que ejecutan en la biología celular (1).
Ácidos nucleicos
Los ácidos nucleicos - ADN y ARN - son las principales moléculas que almacenan
información en la célula. El ADN (Ácido Desoxirribonucleico) tiene un único rol
como material genético, el cual, en las células eucariotas, está localizado
principalmente en el núcleo (1). La información llevada por el ADN reside en su
secuencia y se divide en unidades funcionales llamadas genes, los cuales llevan
las instrucciones para la formación de las proteínas y comúnmente contienen 2
partes: una región codificante que especifica la secuencia de aminoácidos de la
proteína, y una región reguladora que controla cuándo y en cuáles células se
deben fabricar esas proteínas (2).
Las células utilizan dos procesos en serie para convertir la información codificada
en el ADN en proteínas. En el primero, llamado transcripción, la región
codificante de un gen es copiado a una molécula de ARN (Ácido Ribonucleico)
que posteriormente sufre el segundo proceso llamado traducción. Durante la
traducción, los ribosomas ensamblan y unen aminoácidos en el orden preciso que
dicta la secuencia de ARN para dar origen a las proteínas (2).
Las subunidades que conforman el ADN y el ARN son los nucleótidos (Figura
1.3), que son moléculas formadas a partir de un compuesto cíclico nitrogenado
llamado base nitrogenada, unido a un azúcar de 5 carbonos que puede ser la
ribosa (en el caso del ARN) o la desoxirribosa (en el caso del ADN) y que a su
vez está unido a uno o más grupos fosfato. Los nucleótidos pueden interactuar
entre sí covalentemente mediante enlaces fosfodiéster formados entre el grupo
fosfato unido al azúcar de un nucleótido y el grupo hidroxilo del azúcar del
siguiente nucleótido; de esta manera forman las cadenas de ácidos nucleicos (3).
Figura 1.3 Estructura de un nucleótido.
Las bases nitrogenadas son cinco y se pueden dividir en dos grupos:
Pirimidinas: son compuestos derivados de un anillo pirimídico hexagonal.
En este grupo están las bases nitrogenadas citosina (C) timina (T) y uracilo
(U) (Figura 1.4).
Purinas: poseen un segundo anillo pentagonal unido al anillo hexagonal. En
este grupo están las bases guanina (G) y adenina (A) (Figura 1.4) (3).
Figura 1.4 Bases nitrogenadas.
El ARN está compuesto únicamente por el azúcar ribosa y contiene las bases A,
G, C y U. Por su parte, el ADN tiene el azúcar desoxirribosa (donde el hidroxilo de
la posición 2` de la ribosa está reemplazado por un hidrógeno) y las bases A, G, C
y T (3).
Una cadena polinucleotídica tiene un sentido de dirección, con un extremo de la
cadena que termina en un grupo fosfato 5´ y el otro en un grupo hidroxilo 3´ (1).
Los oligonucleótidos son pequeños polímeros que contienen pocos nucleótidos;
los polinucleótidos que forman el ARN y el ADN celular pueden contener miles o
millones de nucleótidos respectivamente (1).
El ADN es una molécula que consiste en dos cadenas polinucleotídicas que se
disponen en direcciones opuestas. Las bases se encuentran en el interior de la
molécula y las dos cadenas se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno entre
pares de bases complementarias: adenina se une a timina mediante dos enlaces
de hidrógeno y la guanina se une a la citosina mediante tres enlaces (Figura 1.5).
La consecuencia importante de tal complementariedad es que una cadena puede
actuar como un plantilla para dirigir la síntesis de la otra cadena, un proceso
llamado replicación del ADN (1).
Figura 1.5 Apareamiento entre las bases nitrogenadas.
Los nucleótidos no son solo importantes como bloques de construcción de los
ácidos nucleicos, sino que también son críticos en otros procesos celulares. El
ribonucleótido adenosín trifosfato (ATP) es la principal forma de energía dentro
de las células. Otros nucleótidos funcionan similarmente como transportadores de
energía o grupos químicos reactivos en una amplia variedad de reacciones
metabólicas. Adicionalmente, algunos nucleótidos (como el AMP cíclico) son
importantes moléculas de señalización dentro de las células (1).
Carbohidratos
Los carbohidratos incluyen azúcares simples y polisacáridos. Dentro de los
azúcares simples se encuentra la glucosa, que es el principal nutriente de las
células; su desdoblamiento provee tanto una fuente de energía celular como el
material para la síntesis de otros constituyentes celulares. Los polisacáridos son
formas de almacenaje de azúcares y constituyen componentes estructurales de la
célula. Adicionalmente, los polisacáridos y polímeros cortos de azúcares actúan
como marcadores para una variedad de procesos de reconocimiento celular,
incluyendo la adhesión de una célula a otra y el transporte de proteínas a destinos
intracelulares apropiados (1).
La estructura de los azúcares más sencillos (monosacáridos) tiene la fórmula
básica (CH2O)n donde n suele ser 3, 4, 5, 6 ó 7. Así, para la glucosa, n es igual a 6
(C6H12O6) (Figura 1.6) (3).
Figura 1.6 Estructura de la glucosa.
Los azúcares se presentan tanto en forma de una cadena abierta como de un
anillo cerrado; en su configuración cíclica un azúcar puede unirse a otro originando
así un disacárido. La sacarosa formada por una unidad de glucosa y otra de
fructosa es un ejemplo de un disacárido. Los azúcares poliméricos más grandes
van desde los oligosacáridos (trisacáridos, tetrasacáridos…) hasta los enormes
polisacáridos (3). El glucógeno y el almidón son dos polisacáridos comunes y
corresponden a la forma de almacenaje de carbohidratos en las células animales y
vegetales, respectivamente (1).
Los azúcares se unen entre sí para formar un polímero a través de enlaces entre
el grupo OH de un azúcar y el grupo OH de otro, mediante una reacción de
condensación, en la que la formación del enlace supone la liberación de una
molécula de agua. Los enlaces generados por estas reacciones pueden romperse
a través del proceso inverso de la hidrólisis, en el que se consume una molécula
de agua (Figura 1.7) (3).
OH
OH
O H
H
O H
H
H
H
OH
H
OH
HO
H
OH HO
H
OH
OH
OH
H2O
Condensación
Hidrólisis
Liberación de agua
consumo de agua
H2O
OH
OH
O
H
H
H
O H
H
H
OH
OH
H
H
O
HO
H
OH
OH
OH
Figura 1.7 Reacción de dos monosacáridos para formar un disacárido.
Los oligosacáridos pequeños pueden estar unidos covalentemente a proteínas
(formando glucoproteínas) y a lípidos (formando glucolípidos) los cuales se
encuentran en las membranas celulares. A menudo, estas cadenas laterales
glucídicas son reconocidas selectivamente por otras células; así por ejemplo, la
base molecular de las principales diferencias entre los tipos sanguíneos humanos
son diferencias específicas en los azúcares de la superficie de las células de los
individuos.
Lípidos
Son un grupo de moléculas biológicas poco definido cuya característica común es
la de ser insolubles en agua mientras son solubles en grasas y disolventes
orgánicos como el benceno (3).
Los lípidos tienen 3 roles principales. Primero, ellos proveen una forma importante
de almacenamiento de energía. Segundo, son los principales componentes de las
membranas celulares. Tercero, desempeñan roles importantes en la señalización
celular, tanto como hormonas esteroideas (como estrógeno y testosterona) como
moléculas mensajeras que llevan señales desde la superficie celular hasta los
blancos dentro de la célula (1).
Los lípidos más simples son los ácidos grasos, los cuales están compuestos de
largas cadenas hidrocarbonadas con un grupo carboxilo al final (Figura 1.8) (1).
Las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos contienen únicamente uniones
no polares C-H, que las hace incapaces de interactuar con el agua. La naturaleza
hidrofóbica de estas cadenas es responsable de muchos de los comportamientos
de los complejos lipídicos, particularmente en la formación de las membranas
biológicas (1).
Figura 1.8 Estructura del ácido graso palmitato.
Los fosfolípidos, los componentes principales de las membranas, consisten de
dos ácidos grasos unidos a una cabeza polar (Figura 1.9). Todos los fosfolípidos
tienen colas hidrofóbicas que consisten en dos cadenas hidrocarbonadas, y
cabezas hidrofílicas que consisten de glicerol, un grupo fosfato y otra molécula
polar unida. Es por esto que los fosfolípidos son moléculas anfipáticas, una parte
es soluble en agua y la otra es insoluble. Esta propiedad de los fosfolípidos es la
base para la formación de membranas biológicas (1).
Figura 1.9 Estructura del fosfolípido fosfatidilserina.
Los glicolípidos consisten de dos cadenas hidrocarbonadas ligadas a cabezas
polares que contienen carbohidratos, por lo que son similares a los fosfolípidos en
su organización general como moléculas anfipáticas (1).
El colesterol, en contraste consiste de 4 anillos hidrocarbonados que son
fuertemente hidrofóbicos, pero el grupo OH unido a un extremo de la molécula es
débilmente hidrofílico; así, el colesterol es también anfipático (Figura 1.10) (1).
H3C
CH3
CH3
H
HO
CH3
H
CH3
H
H
Colesterol
Figura 1.10 Estructura del colesterol.
ENERGÉTICA DE LA VIDA
Muchas tareas que una célula debe ejecutar, tales como el movimiento y la
síntesis de macromoléculas, requieren energía. Una gran parte de las actividades
de la célula son por lo tanto dirigidas a la obtención de energía del ambiente y el
uso de esta para conducir las reacciones que requieren energía. Muchas de las
reacciones que deben tomar lugar dentro de las células son energéticamente
desfavorables y por lo tanto sólo pueden llevarse a cabo con un gasto de energía
adicional. Es por esto que las células deben utilizar energía derivada del ambiente
(1).
Adenosín trifosfato (ATP)
El ATP desempeña un rol central dentro de las células debido a que actúa como
una molécula de almacenamiento de energía libre. Las uniones entre los fosfatos
en el ATP son conocidos como enlaces de alta energía debido a que su hidrólisis
es acompañada por una liberación de gran cantidad de energía. Durante la
hidrólisis ocurre comúnmente que el ATP se desdobla en ADP (adenosín difosfato)
y un grupo fosfato. Alternativamente el ATP puede ser hidrolizado a AMP
(adenosín
monofosfato)
y
pirofosfato
(PPi);
esta
reacción
produce
aproximadamente la misma cantidad de energía libre que la hidrólisis a ADP. Sin
embargo el pirofosfato producido por esta reacción es rápidamente hidrolizado y
de esta manera libera más energía. Así, la energía liberada de la hidrólisis de ATP
a AMP es aproximadamente dos veces la obtenida por la hidrólisis de ATP a ADP
(1).
La hidrólisis del ATP puede ser usado para dirigir otras reacciones que requieran
energía dentro de la célula. Otras moléculas, entre ellas el nucleósido trifostato
GTP, tienen también enlaces de alta energía y pueden ser usados de la misma
manera en que el ATP dirige reacciones que requieren energía. Sin embargo, el
ATP es el que provee la energía en la mayoría de las reacciones. De esta manera,
los enlaces de alta energía del ATP desempeñan un rol en el metabolismo celular
sirviendo como una molécula de almacenamiento de energía (1).
La generación de ATP a partir de la glucosa
El desdoblamiento de los carbohidratos, particularmente de la glucosa, es la
mayor fuente de energía. El desdoblamiento completo de la glucosa a CO 2 y H2O
puede resumirse así:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia
Este proceso es llevado a cabo dentro de las células en una serie de pasos
acoplados a la síntesis de ATP (1):
La glucólisis, el paso inicial del desdoblamiento, es común a todas las células.
Este proceso que no requiere de oxígeno da origen a dos moléculas de piruvato,
con una ganancia neta de dos moléculas de ATP. Adicionalmente dos moléculas
de la coenzima NAD+ (dinucleótido de nicotinamida adenina) se reducen a NADH,
que posteriormente donará sus electrones. En condiciones anaeróbicas, el NADH
se reoxida a NAD+ por la conversión de piruvato a lactato o etanol. En organismos
aerobios, sin embargo, el NADH sirve como una fuente adicional de energía
porque dona sus electrones a la cadena de transporte de electrones donde son
utilizados para reducir el O2 a H2O, acoplado a la generación de ATP adicional (1).
En células eucariotas, la glucólisis ocurre en el citosol. El piruvato es transportado
luego a la mitocondria donde se descarboxila a Acetil CoA, la cual entra en el
ciclo del Ácido Cítrico o ciclo de Krebs donde se oxida completamente a CO2,
generando más moléculas de ATP, y varias moléculas de NADH y FADH 2
(dinucleótido de flavina adenina, otro trasportador de electrones) (1).
Durante la fosforilación oxidativa, los electrones de las moléculas de NADH y
FADH2 pasan a través de una serie de transportadores, lo cual constituye la
cadena de transporte de electrones cuyo aceptor final es el oxígeno. La energía
liberada de este proceso dirige la síntesis de ATP a partir de ADP (1).
En última instancia a partir de una molécula de glucosa se generan
aproximadamente 38 moléculas de ATP (1).
La obtención de energía a partir de otras moléculas orgánicas
La energía en forma de ATP puede ser obtenida del desdoblamiento de otras
moléculas orgánicas, empleándose las vías involucradas en la degradación de la
glucosa como la ruta principal. Los nucleótidos por ejemplo pueden ser
hidrolizados, liberando la pentosa (ribosa o desoxirribosa) que forma parte de su
estructura, la cual puede ser reciclada en la vía de las pentosas monofosfato para
convertirse en azúcares de 6 carbonos y emplearse en la glucólisis u otras
necesidades que demande la célula (como reserva o estructura). Por su parte, los
aminoácidos se pueden degradar por la vía del ácido cítrico generando ATP (1).
Las dos principales formas de almacenamiento de la energía dentro de las células,
los polisacáridos y los lípidos, pueden también ser desdoblados para producir
ATP. Los polisacáridos se rompen en azúcares libres que pueden seguir
metabolizándose como lo hace la glucosa (1).
Las grasas para su utilización primero sufren una degradación a glicerol y ácidos
grasos libres. Cada ácido graso sufre un proceso oxidativo en el que se generan
moléculas de acetil-CoA, que entran en el ciclo del ácido cítrico, y moléculas de
NADH y FADH2 (1).
Fotosíntesis
Los organismos obtienen energía de diferentes maneras. Así, los organismos
fotosintéticos utilizan la luz del sol para sintetizar moléculas orgánicas mediante un
proceso llamado fotosíntesis (3). Así, las hojas verdes de las plantas contienen
organelas llamadas cloroplastos, las cuales son ricas en una sustancia conocida
como clorofila. Las moléculas de clorofila capturan la energía solar al mismo
tiempo que otras moléculas atrapan el CO2 presente en el aire. Gracias a la
energía extraída de la luz, ocurre una reacción química que involucra CO 2, agua y
fosfatos, que conducen a la síntesis de glucosa y liberación de oxígeno (4).
La ecuación global de la fotosíntesis puede escribirse así:
6CO2 + 6H2O
Luz blanca
C6H12O6 +6O2
ENZIMAS COMO REGULADORES QUÍMICOS
Las células requieren regular su metabolismo; este control de las reacciones
químicas se logra a través de las enzimas, que son catalizadores que modifican la
velocidad de las reacciones sin consumirse. Las enzimas pueden ser de
naturaleza proteica o pueden ser fragmentos de RNA denominados ribozimas que
catalizan exclusivamente procesos post-transcripcionales (6).
Todas las reacciones tienen una barrera de energía, conocida como energía de
activación que es la cantidad de energía requerida para romper los enlaces
químicos existentes e iniciar la reacción. Las enzimas, modifican la velocidad de
una reacción reduciendo la barrera de activación y la reacción puede darse con
mayor rapidez. Para ello, las enzimas forman un complejo enzima-sustrato al
unirse con el sustrato; esta interacción puede ser facilitada cuando se acopla a
cofactores y/o coenzimas. Una vez culminada la reacción, el producto es liberado,
la enzima vuelve a su estado conformacional inicial y queda lista para formar un
nuevo complejo (6).
La mayor parte de las enzimas son muy específicas, dado que hay una relación
estrecha entre el sitio activo, regiones a las que se une el sustrato formando el
complejo enzima sustrato, y la forma del sustrato (6).
Las enzimas funcionan mejor en condiciones adecuadas de temperatura, pH y
concentración de iones, que evitan efectos adversos en la actividad enzimática (6).
Temperatura óptima: la temperatura óptima permite que la rapidez de la
reacción sea máxima. Para las enzimas humanas la temperatura óptima es
cercana a la corporal (35 a 40°C). Las reacciones enzimáticas ocurren con
lentitud o no ocurren a temperaturas bajas. La velocidad de las reacciones
controladas por enzimas se incrementa al hacerlo la temperatura, dentro
limites determinados.
Las temperaturas altas (mayores a 40°C)
desnaturalizan con rapidez la mayor parte de las enzimas; ya que se
rompen de manera irreversible los enlaces de hidrógeno que le dan su
estructura secundaria, terciaria y cuaternaria.
pH óptimo: el pH óptimo para la mayoría de las enzimas humanas va de 6 a
8. La actividad de una enzima puede variar mucho si se modifica el pH, que
a su vez modifica los enlaces iónicos que contribuyen a las estructuras
terciaria y cuaternaria de la enzima, con lo que alteran la conformación de
la proteína y su actividad. Muchas enzimas se desnaturalizan de manera
irreversible, cuando el medio se torna muy ácido o muy básico.
Otros factores que pueden influir en la velocidad de reacción son la
concentración del sustrato y de la enzima.
Cofactores y coenzimas
Algunas enzimas requieren para su funcionamiento de un cofactor o una
coenzima. Los cofactores son de origen inorgánico, y pueden ser oligoelementos
como: hierro, cobre, zinc y magnesio. Por su parte, las coenzimas son
compuestos orgánicos no polipeptídicos, y casi todas son agentes que transfieren
electrones o parte de algún sustrato de una molécula a otra. Algunas vitaminas
son coenzimas o componentes de las coenzimas.
Inhibición enzimática
Existen diferentes tipos de inhibición: la regulación enzimática denominada
inhibición por retroalimentación negativa o por retroacción, ocurre cuando el
producto de una ruta metabólica inhibe la actividad de una enzima implicada en su
síntesis. Es importante aclarar que también existe una regulación biológica
denominada retroalimentación positiva donde el producto final de una vía
metabólica aumenta la velocidad de aquella que lo produce o de otra vía
metabólica (1).
La inhibición reversible ocurre cuando un inhibidor forma enlaces químicos no
covalentes con la enzima como puentes de hidrógeno, puentes de Van der Waals
e interacciones hidrofóbicas. Se han descrito dos tipos de inhibición reversible: La
inhibición competitiva y la no competitiva.
En la inhibición competitiva, el inhibidor compite con el sustrato normal por la
unión con el sitio activo de la enzima. El inhibidor suele tener una estructura
similar a la del sustrato normal, de modo que se ajusta al sitio activo y se combina
con la enzima pero ésta no puede atacarlo para formar productos en la reacción.
Dicho competidor no provoca daños permanentes en la enzima.
En la inhibición no competitiva, el inhibidor se une con la enzima en un sitio que
no es el activo, denominado sitio alostérico. Esto desactiva la enzima por
modificación de su forma, por lo cual el sitio activo no puede unirse con el sustrato.
En la inhibición irreversible, el inhibidor se combina con un grupo funcional de la
enzima y la desactiva en forma permanente. Muchos venenos son inhibidores
irreversibles. También puede ocurrir inhibición irreversible cuando la enzima es
desnaturalizada, por agentes como el calor, pH o solventes orgánicos.
EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA
La expresión de la información genética en todas las células tiene lugar, la gran
mayoría de veces, como un sistema de una sola dirección. El ADN determina la
síntesis de ARN y el ARN especifica la síntesis de polipéptidos, los que a su vez
forman las proteínas. Puesto que este sistema es prácticamente universal en los
sistemas biológicos ha sido denominado “dogma central de la biología” (Figura
1.10) (4).
Figura 1.10 El flujo de la información genética.
La primera fase de este proceso consiste en la síntesis de ARN utilizando una
enzima denominada ARN polimerasa, la cual utiliza el ADN como molde para
producir el polímero de ARN, fenómeno conocido como transcripción. La etapa
siguiente, denominada traducción, consiste en la síntesis del polipéptido a partir
de la molécula de ARN, evento que tiene lugar en los ribosomas. La molécula de
ARN que contiene esta información se conoce como ARN mensajero (ARNm).
Finalmente, en muchos los polipéptidos deben acoplarse unos con otros para dar
origen a las proteínas que cumplirán un papel funcional o estructural (4).
Sin embargo, este dogma central no se cumple siempre de manera absoluta, pues
en muchos virus su información genética está codificada en forma de ARN, y en
este caso, los procesos de replicación del genoma y expresión de los genes se
inician a partir de la molécula de ARN (4).
BIBLIOGRAFIA
1. Cooper GM, Hausman RE. La célula. 4a ed. Madrid: Marbán; 2008.
2. Lodish H, Berk A, Zipursky LS, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J. Biología
celular y molecular. 5a ed. Madrid: Panamericana; 2005.
3. Alberts B, Bray D, Hopkin K, Jonson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P.
Introducción a la biología celular. 2a ed. España: Panamericana; 2006.
4. Patiño Grajales PJ, Ossa Londoño JE, McEwen JG. Biología de la célula.
Medellín: Biogénesis. 2006.
5. Henrick K, Thornton JM. PQS: A protein quaternary structure file server. Trends
Biochem Sci. 1998; 23(9): 358-361.
6. Solomon EP, Berg LR, Martin DW. Biología. 8a ed. México: McGraw-Hill; 2008.
7. Campbell NA, Reece JB. Biología. 7a ed.
Panamericana; 2007.
Documento elaborado con fines docentes por:
GUSTAVO LOZANO CASABIANCA
Biólogo M. Sc.
Profesor asociado Escuela de Nutrición y Dietética
Universidad de Antioquia
VIVIANA MARTÍNEZ BETANCUR
Bióloga. Cand. M. Sc.
Universidad de Antioquia
SANDRA MILENA JARAMILLO JARAMILLO
Estudiante Escuela de Nutrición y Dietética
Universidad de Antioquia
México: Editorial Médica