Glúcidos
Los glúcidos son biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O. Sus funciones biológicas son:
- Energética: la glucosa y la sacarosa son el material energético de los seres vivos.
- De reserva: el almidón (vegetales) y el glucógeno (animales).
- Estructural: la celulosa forma parte de las paredes celulares de los vegetales.
- Herencia (estructural): la ribosa y la desoxirribosa.
Monosacáridos
Son los glúcidos más sencillos. Pueden ser polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas.
Características:
- Son sólidos, cristalinos, blancos, dulces, solubles en agua y reductores.
Un ejemplo de monosacárido es la glucosa: sustancia muy difundida tanto entre los vegetales como entre los animales. Forma parte de muchos disacáridos (como la sacarosa y la lactosa) y polisacáridos (como el almidón y la celulosa). Es la principal fuente de energía de las células.
Poder Reductor
Todos los monosacáridos tienen poder reductor, pero no todos los disacáridos lo tienen.
- Reductor: tiene más electrones, por lo que tiende a cederlos.
- Oxidante: tiene menos electrones, por lo que tiende a robarlos.
Disacáridos
Están formados por dos monosacáridos unidos mediante un enlace O-glucosídico. El enlace puede ser α o β en función de la posición del grupo -OH del carbono anomérico. Son sólidos, solubles en agua, con color blanquecino y sabor dulce.
Enlace O-glucosídico
Es un enlace covalente que se produce entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido y un grupo hidroxilo de un carbono de otro monosacárido con liberación de una molécula de agua.
Polisacáridos
Son glúcidos formados por la unión de más de 10 monosacáridos mediante enlaces O-glucosídicos. Son hidrolizables, pero su elevado peso molecular los hace insolubles en agua. No son cristalizables y pierden el sabor dulce. Algunos ejemplos son:
- Celulosa: es un homopolisacárido formado por moléculas de β-D-glucopiranosa unidas mediante enlaces 1β→4.
- Almidón: es un homopolisacárido formado por moléculas de α-D-glucopiranosa unidas mediante enlaces 1α→4.
Lípidos
Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas por C, H y O, y también S y P, pero en menor medida, con cadenas muy largas y resistentes.
Características:
- Insolubilidad en agua y otras soluciones polares.
- Untuosos al tacto.
- Tienen brillo graso.
- Son menos densos que el agua.
- Malos conductores del calor.
Funciones biológicas:
- Estructural: son componentes estructurales fundamentales de las membranas celulares.
- Energética: sirven de reserva energética.
- Reguladora de la temperatura: por ejemplo, las capas de grasa de los mamíferos acuáticos.
- Protectora: las ceras impermeabilizan las paredes celulares de los vegetales y las bacterias.
Clasificación de los Lípidos
- Saponificables: son capaces de formar jabones (sales) al reaccionar con bases fuertes.
- Insaponificables: no pueden formar jabones tras la hidrólisis alcalina por carecer de enlaces éster.
Ácidos Grasos
Son ácidos carboxílicos formados por largas cadenas hidrocarbonadas, hidrofóbicas, y un grupo carboxilo. Pueden ser:
- Ácidos grasos saturados: abundantes en las grasas de origen animal, son cadenas extendidas que se pueden empaquetar estrechamente estableciendo interacciones de Van der Waals.
- Ácidos grasos insaturados: no permiten un empaquetamiento tan estrecho y hacen que las interacciones entre sus cadenas sean más débiles.
Ceras
Son ésteres de un alcohol y de un ácido graso, ambos de cadena larga. Sirven como capa protectora e impermeabilizante, son sólidas y muy apolares.
Fosfolípidos
Formados por glicerina + ácidos grasos + ácido fosfórico + derivado aminado. Forman las membranas celulares si se ensamblan, todos ellos unidos mediante enlaces éster.
Esfingolípidos
Son derivados de la ceramida, una molécula formada por esfingosina + ácido graso, unidos mediante un enlace amida.
Esteroides
Son lípidos no saponificables del esterano.
Proteínas
Las proteínas son biomoléculas orgánicas formadas por C, H, O y N, además de S en muchas ocasiones. Son polímeros de aminoácidos unidos por enlace peptídico, que es un enlace tipo amida.
Características:
- Moléculas muy complejas cuya masa molecular es muy elevada.
- Moléculas orgánicas más abundantes en las células.
Funciones biológicas:
- Enzimática: todas las reacciones que se producen en los organismos son catalizadas por proteínas.
- Homeostática: ciertas proteínas mantienen el equilibrio osmótico del medio celular y extracelular.
- De reserva: pueden utilizarse con este fin en algunos casos especiales como en el desarrollo embrionario.
- Transportadora: transportan gases, como la hemoglobina, o lípidos, como la seroalbúmina.
- Estructural: constituyen muchas estructuras de los seres vivos.
- Movimiento: actúan como elementos esenciales del movimiento.
- Hormonal: por ejemplo, la insulina.
- Inmunológica: intervienen en los procesos de defensa.
Desnaturalización
Implica modificaciones de la estructura de una proteína con la consiguiente pérdida de sus funciones, debido a la rotura de los enlaces que la mantenían.
Enlace Peptídico
Es un enlace covalente que se establece entre un átomo de carbono y un átomo de nitrógeno. Se forma al reaccionar el grupo carboxilo de un aminoácido con el grupo amino de otro, mediante una reacción de condensación en la que se produce una amida y una molécula de agua.
Estructura Primaria
Es la secuencia u orden que siguen los aminoácidos de una proteína. Un cambio en la estructura primaria podría determinar que una proteína no puede realizar su función. Si esta cadena tiene menos de 10 aminoácidos, se la denomina péptido; más de 10, polipéptido; más de 100, proteína.
Estructura Secundaria
Se debe al plegamiento de la estructura primaria y se mantiene por los puentes de hidrógeno entre los grupos CO y los NH de distintos enlaces peptídicos próximos, de forma que las cadenas R adoptan determinadas posiciones en el espacio.
Existen dos tipos:
- Hélice α: la molécula adopta una disposición helicoidal, con las cadenas R de los aminoácidos hacia el exterior de la hélice, y cada 3,6 aminoácidos ésta da una vuelta completa.
- Lámina β: la molécula (o una parte de ella) adopta una disposición en zig-zag. Pueden establecerse puentes de hidrógeno intercatenarios entre grupos CO y NH de cadenas paralelas. Las cadenas R van quedando alternativamente hacia arriba y hacia abajo.
Estructura Terciaria
Se da cuando las proteínas sufren plegamientos y adoptan una estructura tridimensional debido a las interacciones establecidas entre las cadenas R de ciertos aminoácidos. Se estabiliza por:
- Puentes de hidrógeno.
- Fuerzas de Van Der Waals.
- Interacciones ácido-base.
- Etc.
Estructura Cuaternaria
Se da cuando varias cadenas de aminoácidos se unen para formar un edificio proteico de orden superior, así como cuando se unen una o varias proteínas a otras moléculas no proteicas. Se establece por uniones débiles o puentes disulfuro.
Enzimas
Son biocatalizadores producidos en las células, cuyas características son:
- Gran actividad catalítica.
- Especificidad: actúan sobre uno o muy pocos sustratos.
- Actúan en condiciones estrictas de pH y temperatura.
- Su actividad puede regularse.
Vitaminas
Son sustancias que, en cantidades mínimas, son necesarias para el normal desarrollo y funcionamiento de muchos organismos. Se clasifican en hidrosolubles y liposolubles.
Nucleótidos y Nucleósidos
Los nucleósidos son la unión de una base nitrogenada con la ribosa o la desoxirribosa mediante un enlace β-N-glucosídico.
Los nucleótidos son ésteres de nucleósidos y fosfatos (se unen al C5′), cuya presencia le da carácter ácido a la molécula.
Ácidos Nucleicos
Son polímeros de nucleótidos unidos mediante enlaces fosfodiéster. El grupo fosfato de un nucleótido (C5′) se une por un enlace éster al OH del C3′ del nucleótido siguiente. Se localizan en el citoplasma de las procariotas o en el núcleo y citoplasma de las eucariotas. Tienen la función de preservar, transmitir y transportar el material genético.
Estructura del ADN
- Estructura primaria: se trata de la secuencia de desoxirribonucleótidos de una de las cadenas.
- Estructura secundaria: se trata de la estructura en doble hélice, que explica el almacenamiento de la información genética y el mecanismo de duplicación del ADN.
Empaquetamiento del ADN
- La doble hélice de ADN se une a las histonas, formando nucleosomas.
- Los nucleosomas forman “cuentas” sobre una hebra de ADN al plegarse sobre sí mismos.
- Los nucleosomas se empaquetan formando lo que se conoce como “solenoide”, una espiral que se enrrolla en otra espiral y así sucesivamente.
- Las espirales se pliegan formando asas llamadas “bucles”, que pueden plegarse todavía más formando “rosetas”.
- Finalmente, más plegamientos y arrollamientos consiguen un gran empaquetamiento hasta formar los cromosomas.
Desnaturalización del ADN
Se produce al separarse las dos hebras cuando se alcanza el punto de fusión del ADN. Se rompen los puentes de hidrógeno que unen las cadenas, pero no los enlaces fosfodiéster que forman la secuencia de la cadena.
ARN
Es la unión de ribonucleótidos mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5’-3′. Puede tener:
- Estructura primaria: se refiere a la secuencia de bases nitrogenadas que constituyen sus nucleótidos.
- Estructura secundaria: alguna vez, en una misma cadena, existen regiones con secuencias complementarias capaces de aparearse.
- Estructura terciaria: es un plegamiento más complicado sobre la estructura secundaria.
Tipos de ARN
- ARNm: cadenas de largo tamaño con estructura primaria. Transporta la información necesaria para la síntesis proteica y viaja al citoplasma para ser leído por los ribosomas.
- ARNr: forma parte de los ribosomas. Cada ARNr presenta una cadena con estructura secundaria y terciaria y están vinculados con la síntesis de proteínas.
- ARNt: moléculas pequeñas que poseen en algunas zonas estructura secundaria, lo que hace que en las zonas donde no hay bases complementarias adquieran un aspecto de bucles. Se une a aminoácidos transportándolos hasta el ARNm para la síntesis de proteínas.
- ARNn: se sintetiza en el nucleolo y actúa como precursor de parte del ARNr.
Células
Componentes de la Célula Procariota
- Membrana plasmática: bicapa lipídica con proteínas y glúcidos, y no contiene esteroles. Presenta unos repliegues hacia el interior llamados mesosomas, que aumentan la superficie de la membrana y contienen sustancias responsables de procesos metabólicos.
- Pared celular: envoltura rígida, exterior a la membrana, que confiere resistencia mecánica protegiendo a la célula de las fuertes presiones osmóticas a las que está sometida. Está formada por un peptidoglucano denominado mureína.
- Cápsula: solo presente en algunas bacterias. Se forma, en la parte externa de la pared, una capa glucídica de aspecto mucoso que protege de la fagocitosis, la desecación o del ataque de anticuerpos y permite adherirse a superficies.
- Flagelos: estructuras filamentosas que actúan como órganos de locomoción.
- Pili (pelo): son estructuras más cortas y finos que los flagelos. Se encuentran en la superficie de muchas bacterias y son prolongaciones de la membrana que se utilizan en la conjugación bacteriana para transferir material genético.
- Fimbrias (flecos): son pelos cortos que utilizan las bacterias para adherirse a las superficies.
- Citoplasma: medio homogéneo que carece de estructuras membranosas. Consiste en una fase acuosa en la que se encuentran enzimas, sustancias del metabolismo, ribosomas e inclusiones de varios tipos, así como el material genético sin cubierta alguna.
- Ribosomas: responsables de la síntesis de proteínas. En procariotas son más pequeños que en eucariotas y están formados por un número más reducido de proteínas y moléculas de ARNr.
- Plásmidos: moléculas circulares de ADN independientes del cromosoma bacteriano. Pueden o no estar presentes y haber varios dentro de la misma célula.
Componentes de la Célula Eucariota
- Citoesqueleto: es responsable de la forma de la célula, de su organización interna y de sus movimientos.
- Centrosoma: se le considera como un centro organizador de microtúbulos. En él se encuentran los centriolos, que intervienen en el origen y crecimiento de cilios y flagelos.
- Cilios y flagelos: prolongaciones móviles de la membrana plasmática de algunas células. Los cilios son cortos y muy numerosos, y tienen movimiento pendular doblándose hacia delante y hacia atrás. Los flagelos son largos y escasos.
- Aparato de Golgi: interviene en el transporte y distribución celular de moléculas sintetizadas en el RE, interviene en la regeneración de la membrana plasmática, sintetiza y segrega los componentes de la pared celular en células vegetales.
- Retículo endoplasmático rugoso: glucosilación de proteínas y síntesis y almacenamiento de proteínas.
- Retículo endoplasmático liso: interviene en procesos de detoxificación gracias a las enzimas situadas en sus membranas y síntesis de la mayoría de los lípidos constituyentes de las membranas y hormonas esteroideas a partir del colesterol.
- Vacuolas: en vegetales contribuyen a mantener la turgencia celular y almacenan gran variedad de sustancias.
- Peroxisomas: similares a los lisosomas, contienen enzimas oxidativas que catalizan diversas reacciones de oxidación que se producen en su interior.
- Mitocondrias: presentes en todas las células eucariotas, dispersas por todo el citoplasma y se pueden desplazar por él gracias a los microtúbulos.
- Membrana mitocondrial externa: es similar a otras membranas celulares.
- Membrana mitocondrial interna: presenta numerosos pliegues de formas diversas que se dirigen hacia el interior llamados crestas mitocondriales.
- Espacio intermembranoso: se encuentra entre ambas membranas.
- Matriz: es el espacio interno de la mitocondria.
División Celular
Citocinesis
- En las células animales se produce por estrangulación. Se forma un anillo contráctil de filamentos de actina y miosina bajo la membrana de la célula a nivel del ecuador que se contrae hasta dividir el citoplasma en dos.
- En las células vegetales, la pared rígida no deja segmentar la membrana y la citocinesis se produce por tabicación. En el ecuador de la célula se acumulan vesículas procedentes del aparato de Golgi que se fusionan y dan lugar a un tabique llamado fragmoplasto, que divide la membrana de la célula madre en dos.
Metabolismo
El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en la célula. Sus principales objetivos son:
- Obtener energía.
- Transformar sustancias.
- Sintetizar materia orgánica.
- Destruir materia orgánica.
Catabolismo
Comprende reacciones que sirven para descomponer o degradar sustancias orgánicas, es decir, se transforman sustancias complejas en otras más sencillas. Al romperse los enlaces que las forman, se libera energía, por lo que las reacciones catabólicas implican una ganancia de ATP.
Anabolismo
Comprende reacciones que sirven para sintetizar materia orgánica compleja a partir de moléculas sencillas. Al hacerlo, se forman nuevos enlaces, para lo que se necesita energía, por lo que las reacciones anabólicas implican un gasto de ATP.
Glucólisis
Es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía. Se produce en el citosol y es una etapa común a la fermentación y la respiración celular. Consiste en diez reacciones enzimáticas consecutivas que convierten a la glucosa (6C) en dos moléculas de piruvato (3C), capaz de seguir otras vías metabólicas.
Ciclo de Krebs
Primero, entra el acetil-CoA (2C) y reacciona con el oxalacetato (4C), que ya existe en el interior celular, y forman el citrato (6C). El citrato (6C), previamente convertido en isocitrato (6C), sufre dos descarboxilaciones oxidativas, de modo que se producen 2 CO2 y 2 NADH, y el isocitrato (6C) se transforma en succinil-CoA (4C). El succinil-CoA (4C) se transforma en succinato (4C), obteniéndose 1 GTP que es equivalente a 1 ATP. El succinato (4C) sufre una oxidación, transformándose en fumarato (4C) y produciéndose 1 FADH2. El fumarato (4C) se transforma en malato (4C), y este se oxida a oxalacetato (4C), cerrando el círculo y produciendo 1 NADH.
Ciclo de Calvin
- Fijación del C en forma de CO2: la ribulosa 5-fosfato es fosforilada a ribulosa 1,5-bifosfato (RuBP) con gasto de ATP. A continuación, se fija el CO2, es decir, se une a una molécula de ribulosa 1,5-bifosfato por acción de la enzima ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa-oxidasa, originando dos moléculas de 3 carbonos, el 3-fosfoglicerato.
- Reducción: el 3-fosfoglicerato se reduce a gliceraldehído 3-fosfato, para lo que se utiliza NADPH y ATP, procedentes de la fase luminosa.
- Regeneración: de los 12 fosfogliceratos formados (resultantes de las 6 vueltas) se usan 2 para formar la glucosa y el resto para regenerar la ribulosa 5-fosfato.
Transcripción
La transcripción es el primer proceso de la expresión génica. Consiste en copiar la secuencia de ADN de un gen para producir una molécula de ARN.
Síntesis del ARNm
La hebra de ADN que es leída en sentido 3’-5’ por la enzima ARN-polimerasa II (transcriptasa) actúa como hebra molde, mientras que la otra se denomina hebra informativa y no se transcribe. La ARN-polimerasa II debe primero reconocer las secuencias promotoras, que indican el inicio; después leer en sentido 3’-5’ y añadir los nucleótidos (A, G, C y U) en sentido 5’-3’; y por último reconocer las secuencias de terminación. Un solo gen puede transcribirse por varias transcriptasas a la vez.
Código Genético
- Degenerado: el código genético es redundante.
- Universal: el código genético es compartido por todos los organismos conocidos, incluidos los virus y los orgánulos.
- Específico: no hay ambigüedad.
- Sin solapamiento ni discontinuidades: los tripletes están dispuestos de manera lineal y continua.
Traducción
La traducción se inicia en el codón AUG más próximo a la caperuza, que se hidroliza haciendo que el ARNm se una, por su extremo 5’, a la subunidad menor del ribosoma, y así se acopla el primer ARNt-Met. Después, se acopla la subunidad grande del ribosoma, que tiene dos huecos: uno ocupado (P) por el ARNt con su aminoácido correspondiente y otro libre (A). Entra el ARNt correspondiente con el siguiente codón al sitio A. Los dos aminoácidos se unen por enlace peptídico y el ribosoma se desplaza tres nucleótidos, liberando el ARNt que ocupaba el sitio P a través del tercer hueco (E). De este modo el sitio A queda libre de nuevo, aunque vuelve a ser ocupado por otro ARNt con anticodón complementario al siguiente codón a traducir, y así continuamente. La elongación continúa hasta que el ribosoma llega a los codones de terminación o STOP, que es la señal que indica que ha terminado la traducción. Se une el factor proteico de terminación para bloquear la llegada de más ARNt y se liberan la cadena peptídica, las dos subunidades de los ribosomas separadas.
Construcción de un ADN Recombinante
- Fragmentar y aislar el ADN: el ADN se fragmenta utilizando unas enzimas endonucleasas de restricción, que reconocen y cortan las moléculas de ADN por secuencias específicas.
- Unión a vectores: los fragmentos producidos se unen a otras moléculas de ADN, vectores, que pueden replicarse autónomamente en una célula huésped. Los vectores más frecuentes usados son los plásmidos.
- Introducción en las células: la molécula de ADN recombinante (vector + segmento de ADN insertado) se transfiere a una célula huésped.
- Clonación: dentro de esta célula, la molécula de ADN recombinante se replica, produciendo copias idénticas conocidas como «clones».
- Búsqueda del clon idóneo: al replicarse las células huésped, las células descendientes heredan el ADN recombinante.