Macromoléculas: Comparación y Funciones

Las macromoléculas son esenciales para la vida y cumplen diversas funciones en los organismos. A continuación, se presenta un cuadro comparativo:

Estructura de las Proteínas: Niveles y Enlaces

Las proteínas presentan cuatro niveles estructurales:

• Estructura Primaria: Secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos (covalentes).
• Estructura Secundaria: Plegamiento local de la cadena polipeptídica debido a la formación de puentes de hidrógeno entre los átomos del esqueleto peptídico. Las estructuras secundarias comunes son la hélice alfa y la lámina beta.
• Estructura Terciaria: Plegamiento tridimensional global de la cadena polipeptídica. Se estabiliza por interacciones no covalentes (puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, fuerzas de Van der Waals) y enlaces covalentes (puentes disulfuro entre cisteínas) entre las cadenas laterales de los aminoácidos.
• Estructura Cuaternaria: Asociación de dos o más cadenas polipeptídicas (subunidades) para formar una proteína funcional. Las subunidades se mantienen unidas por interacciones no covalentes y, en algunos casos, puentes disulfuro. Ejemplos: hemoglobina, enzimas multiméricas, canales iónicos.

¿Qué ocurre cuando una proteína pierde su estructura tridimensional?

Pierde su función biológica. Este proceso se conoce como desnaturalización y puede ser causado por cambios en el pH, la temperatura, la concentración de sales o la presencia de agentes desnaturalizantes.

¿Qué proteínas presentan estructura cuaternaria?

Solo aquellas proteínas formadas por dos o más cadenas polipeptídicas. Si una proteína con estructura cuaternaria pierde esta estructura, pierde su función.

¿Qué proteínas presentan estructura terciaria?

Todas las proteínas funcionales deben tener una estructura terciaria bien definida. Es la estructura terciaria la que determina la función específica de la proteína.

Orgánulos de la Célula Eucariota Animal y sus Funciones

• Lisosomas: Digestión celular y degradación de componentes celulares dañados o envejecidos.
• Núcleo: Contiene el material genético (ADN) y controla la actividad celular, incluyendo la división celular y la expresión génica.
• Retículo Endoplasmático Rugoso (RER): Síntesis y plegamiento de proteínas destinadas a la secreción, a la membrana plasmática o a otros orgánulos. Contiene ribosomas adheridos a su superficie.
• Retículo Endoplasmático Liso (REL): Síntesis de lípidos (fosfolípidos, esteroides), metabolismo de carbohidratos y detoxificación de sustancias.
• Aparato de Golgi: Modificación, clasificación y empaquetamiento de proteínas y lípidos. Realiza la glucosilación (adición de carbohidratos) de proteínas y lípidos.
• Membrana Celular (Plasmática): Delimita la célula, regula el intercambio de sustancias entre el interior y el exterior celular, y participa en la comunicación celular.
• Citoesqueleto: Red de filamentos proteicos (microtúbulos, filamentos de actina y filamentos intermedios) que proporciona soporte estructural, determina la forma de la célula y permite el movimiento celular y el transporte intracelular.
• Peroxisomas: Contienen enzimas oxidativas que participan en la detoxificación celular y en el metabolismo de lípidos. Producen y degradan peróxido de hidrógeno (H₂O₂).
• Mitocondrias: Producción de energía (ATP) a través de la respiración celular (oxidación de glucosa y otros combustibles). También participan en la apoptosis (muerte celular programada).

Transporte a Través de la Membrana Plasmática

Sustancias hidrofílicas a favor de gradiente de concentración:

• Canales Iónicos: Proteínas transmembrana que forman poros que permiten el paso selectivo de iones a favor de su gradiente electroquímico. No requieren gasto de ATP.
• Difusión Facilitada: Mediada por proteínas transportadoras (permeasas) que se unen específicamente a la sustancia y facilitan su paso a través de la membrana, a favor de su gradiente de concentración. No requiere gasto de ATP.

Sustancias hidrofílicas en contra de gradiente de concentración:

• Transporte Activo: Requiere energía (ATP) y proteínas transportadoras (bombas). Permite el movimiento de sustancias en contra de su gradiente de concentración. Se divide en:
  • Transporte Activo Primario: La energía proviene directamente de la hidrólisis del ATP por la proteína transportadora (ej. bomba de sodio-potasio, bomba de calcio).
  • Transporte Activo Secundario (Cotransporte): La energía para transportar una sustancia en contra de su gradiente se obtiene del gradiente electroquímico de otra sustancia (generalmente un ion) que se mueve a favor de su gradiente. Puede ser:
    • Simporte: Ambas sustancias se mueven en la misma dirección.
    • Antiporte: Las sustancias se mueven en direcciones opuestas.
• Transporte de Solutos Grandes (Macromoléculas):
  • Endocitosis: Incorporación de material a la célula mediante la invaginación de la membrana plasmática. Incluye:
    • Fagocitosis: Ingestión de partículas grandes (ej. bacterias).
    • Pinocitosis: Ingestión de fluidos y pequeñas moléculas.
    • Endocitosis mediada por receptor: Incorporación selectiva de moléculas que se unen a receptores específicos en la membrana plasmática.
  • Exocitosis: Liberación de material desde la célula mediante la fusión de vesículas con la membrana plasmática.

Proteínas involucradas en cada tipo de transporte:

• Canales iónicos: Proteínas transmembrana con poros hidrofílicos. Pueden ser:
  • De reposo (siempre abiertos).
  • Regulados (se abren o cierran en respuesta a estímulos): por ligando, por voltaje, mecánicamente.
• Transportadores (Permeasas): Proteínas integrales de membrana que se unen a la sustancia a transportar y sufren un cambio conformacional para liberarla al otro lado de la membrana.
• Bombas: Proteínas transportadoras que utilizan energía (ATP) para mover sustancias en contra de su gradiente de concentración.

Transporte de moléculas hidrofóbicas:

Las moléculas hidrofóbicas (liposolubles) atraviesan la bicapa lipídica de la membrana plasmática por difusión simple, sin necesidad de proteínas transportadoras. Se mueven siempre a favor de su gradiente de concentración.

Análisis del Gráfico de Velocidad de Transporte vs. Concentración

• Difusión Simple: La velocidad de transporte es directamente proporcional a la concentración de la sustancia. A mayor concentración, mayor velocidad de transporte. No hay saturación.
• Difusión Facilitada: La velocidad de transporte aumenta con la concentración de la sustancia hasta alcanzar un máximo (velocidad máxima, Vmax). A partir de este punto, la velocidad se mantiene constante, ya que los transportadores se saturan.

Estructura del ADN en la Célula Eucariota

El ADN en las células eucariotas se encuentra en el núcleo y está organizado en cromosomas. Cada cromosoma está formado por una molécula de ADN muy larga y lineal, asociada a proteínas llamadas histonas. El ADN se enrolla alrededor de las histonas formando una estructura llamada nucleosoma. Los nucleosomas se organizan en estructuras más complejas, dando lugar a la cromatina. La cromatina puede estar más o menos condensada, dependiendo del estado de la célula.

La molécula de ADN es una doble hélice formada por dos cadenas de nucleótidos antiparalelas (orientadas en direcciones opuestas: 5′ a 3′ y 3′ a 5′). Las dos cadenas son complementarias: la adenina (A) se aparea con la timina (T) y la guanina (G) se aparea con la citosina (C) mediante puentes de hidrógeno. Esta complementariedad de bases es fundamental para la replicación y la transcripción del ADN.

Genes: Estructura y Función

Un gen es una secuencia de ADN que contiene la información necesaria para sintetizar una proteína o un ARN funcional. Es la unidad funcional de la herencia. Solo una pequeña fracción del ADN genómico (aproximadamente el 1.5% en humanos) corresponde a genes.

Estructura básica de un gen:

• Región codificante: Contiene la secuencia de nucleótidos que se transcribe a ARN. Está formada por:
  • Exones: Secuencias que se traducen a proteína (se encuentran en el ARNm maduro).
  • Intrones: Secuencias que se eliminan del transcrito primario de ARN (no se traducen a proteína).
• Promotor: Región reguladora situada corriente arriba (en dirección 5′) de la región codificante. Es el sitio de unión de la ARN polimerasa y de factores de transcripción que regulan la expresión del gen.
• Secuencias reguladoras: Pueden estar situadas cerca del promotor o a distancia (corriente arriba o corriente abajo). Incluyen:
  • Potenciadores (Enhancers): Aumentan la tasa de transcripción.
  • Silenciadores (Silencers): Disminuyen la tasa de transcripción.
• Sitio de terminación de la transcripción: Secuencia que indica el final del gen y provoca la liberación de la ARN polimerasa.

¿A qué nos referimos al decir que un gen se expresa?

Un gen se expresa cuando la información que contiene se utiliza para sintetizar un producto funcional (proteína o ARN). La expresión génica implica dos procesos principales: transcripción (síntesis de ARN a partir de ADN) y traducción (síntesis de proteínas a partir de ARNm).

ARN Polimerasa: Función y Proceso de Transcripción

La ARN polimerasa es una enzima (un complejo multiproteico) responsable de la síntesis de ARN a partir de un molde de ADN. Cataliza la formación de enlaces fosfodiéster entre los ribonucleótidos.

Transcripción: Es el proceso por el cual se sintetiza una molécula de ARN complementaria a una hebra de ADN (la hebra molde). La ARN polimerasa se une al promotor del gen y, utilizando ribonucleótidos trifosfato (ATP, GTP, CTP, UTP), sintetiza una cadena de ARN en dirección 5′ a 3′. La secuencia de ARN es complementaria a la secuencia de la hebra molde de ADN (excepto que la timina se reemplaza por uracilo en el ARN).

Ribosomas, ARNt y Traducción

Ribosomas: Son complejos macromoleculares formados por ARN ribosómico (ARNr) y proteínas. Son el sitio donde se sintetizan las proteínas (traducción). Los ribosomas se unen al ARNm y catalizan la formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos, siguiendo la secuencia de codones del ARNm.

ARNt (ARN de transferencia): Son moléculas de ARN pequeñas que actúan como adaptadores entre el ARNm y los aminoácidos. Cada ARNt se une a un aminoácido específico y reconoce un codón específico en el ARNm mediante su anticodón (una secuencia de tres nucleótidos complementaria al codón).

Traducción: Es el proceso por el cual se sintetiza una proteína a partir de la información contenida en el ARNm. El ribosoma se une al ARNm y se desplaza a lo largo de él, leyendo los codones. Los ARNt, cargados con sus respectivos aminoácidos, se unen a los codones del ARNm a través de sus anticodones. El ribosoma cataliza la formación de enlaces peptídicos entre los aminoácidos, formando la cadena polipeptídica. El ARNt decodifica el ARNm y lleva el aminoácido correspondiente al codón.

Señalización Intercelular: Tipos según la Distancia

La señalización intercelular es la comunicación entre células. Se clasifica según la distancia que recorre la molécula señal:

• Autocrina: La célula produce una señal que actúa sobre ella misma (receptores en la misma célula). Ejemplos: factores de crecimiento, células cancerosas.
• Paracrina: La señal se libera al espacio extracelular y actúa sobre células cercanas. Ejemplos: neurotransmisores en la sinapsis, factores de crecimiento.
• Endocrina: La señal (hormona) se libera al torrente sanguíneo y actúa sobre células diana distantes. Ejemplos: insulina, hormonas tiroideas.
• Contacto directo (Yuxtacrina): La señalización se produce por contacto directo entre moléculas de la membrana plasmática de dos células adyacentes.

Tipos de Receptores Celulares y su Activación

Los receptores celulares son proteínas que se unen a moléculas señal (ligandos) y desencadenan una respuesta celular. Se clasifican en:

• Receptores de Superficie Celular: Se encuentran en la membrana plasmática y se unen a ligandos hidrofílicos (que no pueden atravesar la membrana). Incluyen:
  • Receptores Ionotrópicos (Canales Iónicos Regulados por Ligando): La unión del ligando abre el canal iónico, permitiendo el paso de iones y generando una respuesta rápida (ej. receptores de neurotransmisores).
  • Receptores Acoplados a Proteínas G (Metabotrópicos): La unión del ligando activa una proteína G, que a su vez activa o inhibe una enzima o canal iónico, generando una cascada de señalización intracelular. La respuesta es más lenta y amplificada.
  • Receptores con Actividad Enzimática (ej. Receptores Tirosina Quinasa): La unión del ligando activa la actividad enzimática intrínseca del receptor (generalmente una quinasa) o de una enzima asociada al receptor. Esto desencadena una cascada de fosforilaciones de proteínas intracelulares.
• Receptores Intracelulares: Se encuentran en el citoplasma o en el núcleo y se unen a ligandos hidrofóbicos (liposolubles) que pueden atravesar la membrana plasmática (ej. hormonas esteroideas, hormonas tiroideas). El complejo ligando-receptor actúa como factor de transcripción, regulando la expresión de genes específicos.

¿Tiene alguna consecuencia la naturaleza química de la molécula señal en el tipo de receptor?

Sí. Las moléculas señal hidrofílicas se unen a receptores de superficie celular, mientras que las moléculas señal hidrofóbicas se unen a receptores intracelulares. La unión del ligando al receptor es altamente específica, determinada por la estructura tridimensional del ligando y del sitio de unión del receptor.

Receptores Metabotrópicos Acoplados a Proteína G: Mecanismo de Acción

Los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) son una gran familia de receptores de superficie celular. Su mecanismo de acción general es el siguiente:

1. Unión del ligando: El ligando se une al receptor, provocando un cambio conformacional en el receptor.
2. Activación de la proteína G: El receptor activado interactúa con una proteína G heterotrimérica (formada por tres subunidades: α, β y γ) asociada a la membrana plasmática. La subunidad α unida a GDP se activa, intercambiando GDP por GTP.
3. Disociación de la proteína G: La subunidad α-GTP se separa del complejo βγ.
4. Activación/Inhibición de efectores: Tanto la subunidad α-GTP como el complejo βγ pueden interactuar con proteínas efectoras (enzimas o canales iónicos), modulando su actividad.
5. Hidrólisis de GTP: La subunidad α tiene actividad GTPasa intrínseca. Hidroliza el GTP a GDP, volviendo a su estado inactivo. La subunidad α-GDP se reasocia con el complejo βγ, terminando la señal.

Segundos Mensajeros: Tipos y Formación

Los segundos mensajeros son moléculas pequeñas e intracelulares que se generan o liberan en respuesta a la activación de un receptor. Amplifican la señal y la transmiten a otras proteínas efectoras, desencadenando una cascada de señalización.

Tipos principales de segundos mensajeros:

• AMP cíclico (AMPc): Se forma a partir de ATP por la enzima adenilato ciclasa (activada por algunas proteínas G). Activa la proteína quinasa A (PKA).
• GMP cíclico (GMPc): Se forma a partir de GTP por la enzima guanilato ciclasa. Activa la proteína quinasa G (PKG).
• Inositol trifosfato (IP3): Se forma a partir de fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2) por la enzima fosfolipasa C (activada por algunas proteínas G). Provoca la liberación de Ca²⁺ del retículo endoplasmático.
• Diacilglicerol (DAG): Se forma a partir de PIP2 por la enzima fosfolipasa C. Activa la proteína quinasa C (PKC).
• Calcio (Ca²⁺): Su concentración intracelular aumenta por la apertura de canales de Ca²⁺ en la membrana plasmática o en el retículo endoplasmático (en respuesta a IP3, por ejemplo). Activa diversas proteínas, incluyendo calmodulina y PKC.
• Óxido nítrico (NO): Gas que se difunde libremente a través de las membranas. Activa la guanilato ciclasa, aumentando los niveles de GMPc.

Los segundos mensajeros se forman como resultado de la activación de enzimas (adenilato ciclasa, guanilato ciclasa, fosfolipasa C) o de la apertura de canales iónicos (canales de Ca²⁺) en respuesta a la activación de receptores de superficie celular.