Bioelementos y Biomoléculas: Los Componentes Esenciales de la Vida
Bioelementos
- Primarios (C, H, O, N, P, S): Constituyen el 98% del peso seco de los seres vivos y son los componentes estructurales básicos de las biomoléculas.
- Secundarios (Na, K, Ca, Mg, Cl): Representan menos del 2% del peso seco y desempeñan funciones reguladoras en procesos fisiológicos.
- Oligoelementos: El resto hasta los 70 bioelementos, intervienen en diversas funciones catalíticas y estructurales.
Agua
El agua es fundamental para la vida, presente en formas estructurales, metabólicas y circulantes. Su cantidad varía según factores como la estructura química (molécula triatómica con enlaces covalentes polares) y la unión mediante enlaces de hidrógeno, formando una estructura reticular flexible.
Propiedades del Agua
- Gran fuerza de cohesión entre sus moléculas.
- Líquido prácticamente incompresible.
- Elevada tensión superficial.
- Gran fuerza de adhesión (capilaridad).
- Reducida viscosidad.
- Elevado calor específico.
- Alto calor de vaporización.
- Elevada constante dieléctrica (gran poder disolvente).
- Contracción y dilatación anómalas.
- Baja ionización.
Sales Minerales
Las sales minerales desempeñan funciones estructurales y reguladoras, dependiendo de su estado físico:
- Sales precipitadas (cristalizadas): Forman exo y endoesqueletos, proporcionando estructura y protección.
- Sales disueltas (ionizadas): Regulan procesos fisiológicos y bioquímicos como cofactores enzimáticos, gradientes electroquímicos, regulación osmótica y sistemas tampón.
Dispersiones Acuosas
Un sistema disperso consta de una fase dispersante (disolvente) y una fase dispersa (soluto). Existen dos tipos:
- Dispersiones coloidales o coloides: Mezclas heterogéneas estables con partículas dispersas. Más del 90% de la materia viva se encuentra en estado coloidal.
- Estado de sol: Partículas libres en baja concentración.
- Estado de gel: Partículas aglomeradas formando redes que atrapan agua.
- Dispersiones moleculares o verdaderas: Dispersiones de sólidos de bajo peso molecular en un líquido, formando mezclas homogéneas.
Propiedades de las Dispersiones Coloidales
- Elevada adsorción.
- Movimiento browniano.
- Efecto Tyndall.
- Elevada viscosidad.
- Sedimentación o floculación.
Ósmosis, Difusión y Diálisis
- Ósmosis: Difusión pasiva del disolvente a través de membranas semipermeables, desde la solución más diluida hacia la más concentrada, hasta igualar las concentraciones.
- Soluciones: Isotónicas (misma concentración), Hipertónicas (mayor concentración), Hipotónicas (menor concentración).
- Hipertónico: Plasmólisis.
- Hipotónico: Turgencia.
- Difusión: Proceso por el cual ciertas moléculas tienden a repartirse homogéneamente en los medios fluidos.
- Diálisis: Separación de macromoléculas a través de una membrana semipermeable que permite el paso de moléculas pequeñas.
Glúcidos, Hidratos de Carbono o Azúcares
Los glúcidos son moléculas orgánicas ternarias (C, H, O, a veces N) con funciones energéticas y estructurales. Se dividen en:
- Osas o monosacáridos: Glúcidos más sencillos, no hidrolizables.
- Ósidos: Formados por la unión de osas, hidrolizables en glúcidos más pequeños.
- Holósidos: Por hidrólisis solo originan osas. Se clasifican en oligosacáridos y polisacáridos (heteropolisacáridos y homopolisacáridos).
- Heterósidos: Formados por la unión de un glúcido con una molécula no glucídica (aglucona o genina).
Osas o Monosacáridos
Químicamente son polialcoholes (aldosas o cetosas) con propiedades como:
- No son hidrolizables.
- Estructura cristalina y color blanco o incoloro.
- Sabor dulce.
- Solubles en agua.
- Carácter reductor.
- Isomería espacial (excepto la dihidroxiacetona).
El enlace que une los monosacáridos es el O-glucosídico, una reacción entre el grupo hidroxilo hemiacetálico o hemicetálico del carbono anomérico de una osa con un grupo hidroxilo de otra osa, con desprendimiento de una molécula de agua. También existe el enlace N-glucosídico, entre el grupo hidroxilo hemiacetálico o hemicetálico del carbono anomérico de una osa con un grupo amino (-NH3) de otra molécula, con desprendimiento de una molécula de agua.
Disacáridos y Polisacáridos Importantes
- Disacáridos: Maltosa, Lactosa, Sacarosa, Celobiosa.
- Reserva de energía: Almidón y Glucógeno.
- Estructurales: Celulosa y Quitina.
- Otras funciones: Glucosaminoglucanos, Agar-agar, Pectinas y Hemicelulosas.
- Otros: Glucolípidos, Glucoproteínas o Péptidoglucano.
Lípidos
Los lípidos son moléculas heterogéneas de naturaleza hidrocarbonada (C, H, O, a veces S, N, P) con diversas estructuras y funciones.
Propiedades Físicas de los Lípidos
- Insolubilidad en agua.
- Solubilidad en disolventes orgánicos.
- Baja densidad.
- Untuosidad y viscosidad.
- Poca conductividad térmica.
Funciones de los Lípidos
- Reserva energética.
- Estructural.
- Aislante térmico.
- Aislante mecánico.
- Hormonal.
- Coenzimática.
Clasificación de los Lípidos
- Ácidos grasos: Los más sencillos.
- Lípidos saponificables e insaponificables.
Ácidos Grasos
Según la cadena hidrocarbonada, los ácidos grasos pueden ser:
- Saturados: Todos los enlaces simples.
- Insaturados: Enlaces covalentes dobles (insaturaciones) como el ácido oleico, linoleico, linolénico o araquidónico.
Propiedades Físico-Químicas de los Ácidos Grasos
- Carácter anfipático.
- Punto de fusión (depende de la longitud de la cadena y del número de instauraciones).
- Esterificación (formación de enlaces éster).
- Saponificación.
Proteínas: Características y Funciones
Las proteínas están formadas por C, H, O, N y a veces otras moléculas. Son polímeros lineales de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos.
Aminoácidos
Son los monómeros de las proteínas, unidos por enlaces peptídicos. Hay veinte aminoácidos distintos con propiedades físico-químicas características:
- Isomería espacial.
- Isomería óptica.
- Punto isoeléctrico.
- Carácter anfótero (actúan como ácidos o bases según el pH).
En la especie humana, nueve aminoácidos son esenciales (Met, Val, Leu, Ile, Phe, Trp, Thr, Lys e His) y deben ser ingeridos en la dieta.
Estructura de las Proteínas
Las proteínas tienen estructura primaria, secundaria (alfa hélice y lámina beta), terciaria y cuaternaria.
Propiedades Físico-Químicas de las Proteínas
- Solubilidad.
- Especificidad.
- Desnaturalización/renaturalización.
- Tampón de pH.
Funciones de las Proteínas
- Estructural.
- Biocatalizadora.
- Hormonal.
- Reguladora.
Enzimas
Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones metabólicas. En las enzimas simples no es necesaria su unión con ninguna otra molécula para ser funcional. En una reacción bioquímica sencilla, un sustrato se transforma en un producto.
Para que esto se produzca, el sustrato debe alcanzar una energía de activación que le permita romper enlaces y formar otros. Una vez alcanzada esta energía, la sustancia inicial está en un estado de transición.
En una reacción exergónica, el estado energético del producto es más bajo que el del sustrato; en una reacción endergónica, es más alto.
E + S ↔ E-S → E-P → E + P
Factores que Regulan la Actividad Enzimática
- pH y temperatura.
- Concentración del sustrato.
- Cofactores enzimáticos y coenzimas.
- Ligandos activadores e inhibidores.
- Alosterismo.
Inhibidores Enzimáticos
Son sustancias que reducen o anulan la actividad enzimática:
- Reversibles (competitivos, no competitivos, acompetitivos).
- Irreversibles o venenos (pérdida permanente de la actividad enzimática).
Estrategias para Incrementar la Velocidad de Reacción
- Compartimentación celular.
- Efecto cascada.
- Complejos multienzimáticos.
Ácidos Nucleicos: ADN y ARN
Los ácidos nucleicos son biomoléculas esenciales para la transmisión de caracteres hereditarios y la síntesis de proteínas. Son polímeros lineales de nucleótidos, dando lugar al ácido desoxirribonucleico (ADN) y al ácido ribonucleico (ARN).
Nucleótidos
Son los monómeros de los ácidos nucleicos, formados por:
- Una base nitrogenada.
- Una aldopentosa (desoxirribosa en el ADN, ribosa en el ARN).
- Ácido fosfórico.
Los monómeros se unen mediante enlaces fosfodiéster (enlaces nucleotídicos).
Moléculas Almacenadoras de Energía (ATP y GTP)
Son ribonucleótidos trifosfato de adenosina o guanosina con enlaces ricos en energía (8 kcal/mol).
Moléculas Mensajeras Intracelulares (AMPc)
Es un nucleótido monofosfato de adenosina en la que el grupo fosfato unido al carbono 5’ de la ribosa se ha ciclado uniéndose mediante enlace éster al carbono 3’ de la misma pentosa.
Moléculas Coenzimáticas (FMN-FMNH2, FAD-FADH2, NAD-NADH, NADP-NADPH, Coenzima A)
Actúan como moléculas orgánicas en reacciones enzimáticas, complementando la actividad de enzimas, generalmente como transportadores de electrones.
Ácido Desoxirribonucleico (ADN)
Contiene la información genética que determina el desarrollo del individuo. En eucariotas, se encuentra en el núcleo; en procariotas, es una molécula circular.
Estructura del ADN
- Dos cadenas de polinucleótidos enrollados en doble hélice.
- Bases nitrogenadas enfrentadas dos a dos (A-T, C-G).
- Dimensiones: 2 nm de diámetro, 3,4 nm por vuelta de hélice, 0,34 nm entre pares de bases.
- Enrollamiento dextrógiro, plectonémico y antiparalelo.
Cromatina
La cromatina en el núcleo interfásico puede ser:
- Eucromatina (poco contrastada, más descondensada).
- Heterocromatina (más contrastada, zonas inactivas).
Cromosomas
Se clasifican en:
- Cromosomas somáticos o autosomas (información genética del soma).
- Cromosomas sexuales.
Ácido Ribonucleico (ARN)
Es un polímero de ribonucleótidos (A, G, C, U) con ribosa como pentosa. Generalmente monocatenario, aunque puede presentar regiones de complementariedad intracatenarias. Hay distintos tipos de ARN con funciones relacionadas con la síntesis de proteínas.
Tipos de ARN
- ARNm (mensajero): Transporta la información genética desde el núcleo hasta los ribosomas. En eucariotas, es monocistrónico; en procariotas, policistrónico.
- ARNn (nucleolar): Se sintetiza a partir de la información contenida en las constricciones secundarias de los cromosomas y se acumula en el nucléolo.
- ARNr (ribosómico): Junto con proteínas, forma los ribosomas, que sintetizan proteínas a partir del ARNm. En células procariotas 70S y en eucariotas 80S.
- ARNt (de transferencia): Capta aminoácidos del citoplasma, los transfiere a los ribosomas y los coloca en su lugar correspondiente en la proteína. Tiene estructura en forma de hoja de trébol.
La Célula: Unidad Fundamental de la Vida
Los postulados de la Teoría Celular se resumen en:
- Todos los organismos están compuestos por una o más células (excepto los virus).
- La célula es la unidad anatómica y fisiológica de los seres vivos.
- La célula es la unidad elemental de reproducción.
- La célula es la unidad de vida independiente más elemental.
En función de su antigüedad y complejidad, se distinguen células procariotas y eucariotas.
Características Comparativas de Células Procariotas y Eucariotas
Procariotas | |||
Eucariotas | |||
Complejidad | Muy baja. | Mucha, organismos uni y pluricelulares, autótrofos y heterótrofos,… |
Tamaño | 0,4 – 1 micras | 10-100 micras |
Material genético | en el citoplasma Molécula circular de ADN bicatenarioEn ningún caso asociado a histonas. | Se encuentra en el interior del núcleo, organizado en forma de cromatina o de cromosomas, ambos muy estructurados, según el momento celular, estará o no asociado a histonas. |
Membrana citoplasmática | Sin esteroles. | Con esteroles. |
Pared celular | Pared bacteriana formada por peptidoglicanos. | Sólo presente en ciertos protistas, vegetales (celulosa) y hongos (quitina). |
Citoesqueleto | No tiene. | Si tiene. |
Orgánulos citoplasmáticos | No tiene. Pueden presentar cilios o flagelos. | Mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas, RE, complejo de Golgi, lisosomas (animales), centrosoma (animales), inclusiones de reserva, vacuolas, ribosomas 80 S. Pueden presentar cilios o flagelos. |
Organismos que las poseen | Bacterias | Protistas, hongos, plantas y animales |
Membrana Plasmática: Estructura y Funciones
Estructura continua que rodea a la célula, visible con el microscopio electrónico, con un espesor de 7,5 a 10 nm. Está constituida por una bicapa de fosfolípidos con lípidos, proteínas y glúcidos. La disposición de los componentes se describe mediante el modelo de mosaico fluido.
Funciones de la Membrana Plasmática
- Permeabilidad selectiva.
- Producir, modular y conservar gradientes.
- Recibir y transmitir estímulos o señales.
- Controlar el desarrollo y división de las células.
- Mantener constante el tamaño y la forma celular.
- Delimitar compartimentos intracelulares.
- Permitir la endo y exocitosis.
- Favorecer la adherencia y comunicación entre células.
Estructura: Modelo de Mosaico Fluido
Propuesto por Seymour Singer y Garth Nicholson, propone que la membrana es similar a un mosaico de piezas móviles, sin dejar espacios entre ellas, en el que las moléculas de fosfolípidos forman una bicapa.
Uniones Celulares
- Uniones adherentes o desmosomas.
- Uniones oclusivas, estrechas o impermeables (obstruyen el espacio intercelular).
- Uniones comunicantes, GAP o en hendidura (permiten el paso de pequeñas moléculas).
Transporte a Través de la Membrana
Se realiza por dos mecanismos:
- Transporte pasivo: Difusión a favor de un gradiente de concentración o electroquímico, sin consumo de energía.
- Difusión simple: Moléculas pequeñas polares sin carga atraviesan la membrana libremente.
- Difusión facilitada: Paso de iones y moléculas polares con la ayuda de proteínas de membrana (carriers y proteínas canal).
- Transporte activo: En contra del gradiente electroquímico y con consumo de energía (ATP), mediante proteínas translocadoras.
Moléculas de Elevada Masa Molecular
- Endocitosis: Incorporación de partículas del medio externo mediante la creación de una invaginación de la membrana plasmática, hasta formar una vesícula intracelular llamada vesícula endocítica.
- Pinocitosis: Incorporación de pequeñas gotas de líquido y partículas disueltas.
- Fagocitosis: Ingestión de partículas de gran tamaño.
- Endocitosis mediada por receptor.
- Exocitosis: Vertido al exterior de macromoléculas intracelulares encerradas en vesículas exocíticas.
Citosol, Citoesqueleto y Orgánulos Celulares
El Citosol
Formado por una dispersión coloidal compuesta por agua, ocupa la mayor parte del volumen celular. Su función es constituir el medio único en el que se realizan una buena parte de las reacciones del metabolismo celular.
El Citoesqueleto
Conjunto de filamentos proteicos que aparecen en el citosol, formando estructuras reticulares que contribuyen a mantener la morfología celular. Está formado por microfilamentos de actina, filamentos intermedios y microtúbulos.
Retículo Endoplasmático (RE)
Sistema laberíntico de membranas que forman cisternas y conductos interconectados, dejando un espacio interior llamado lumen. Existen dos tipos diferenciados:
- Retículo endoplasmático rugoso (RER): Almacena proteínas y realiza la glucosilación de algunas de las proteínas almacenadas.
- Retículo endoplasmático liso (REL): Síntesis de lípidos, contracción muscular, regulador de la concentración de Ca, produce vesículas para el transporte de lípidos y proteínas.
Aparato de Golgi
Sistema de cisternas membranosas aplanadas (dictiosomas) junto con vesículas asociadas cerca del núcleo. Se observan dos regiones: cara cis y cara trans.
Funciones del Aparato de Golgi
- Glucosilación de lípidos y proteínas.
- Fosforilación de proteínas.
- Formación de lisosomas.
Lisosomas
Orgánulos membranosos de pequeño tamaño y forma esférica, que contienen enzimas hidrolasas ácidas. Actúan como un “sistema digestivo celular” con función nutritiva, de defensa o de reciclaje. Necesitan un interior ácido, conseguido mediante un sistema de bombeo de H+.
Tipos de Lisosomas
- Lisosomas primarios (vesículas de secreción).
- Lisosomas secundarios (fusión de lisosomas primarios).
Glioxisomas y Peroxisomas
Realizan la excreción de elementos perjudiciales para la célula.
Vacuolas
Almacenan sustancias de reserva.
Mitocondrias
Orgánulos comunes a todas las células eucarióticas aerobias, encargados de la respiración celular. El conjunto de mitocondrias se llama condrioma. Su estructura consta de una doble membrana (membrana mitocondrial externa e interna con crestas mitocondriales), espacio intermembranoso y matriz mitocondrial.
Procesos en las Mitocondrias
- Matriz mitocondrial: Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico y ciclo de Krebs.
- Membrana mitocondrial interna: Cadena transportadora de electrones y fosforilación oxidativa.
Cloroplastos
Orgánulos exclusivos de células vegetales, realizando la fotosíntesis oxigénica. El conjunto de cloroplastos se llama plastidioma. La fotosíntesis se desarrolla en dos fases: fase lumínica y fase oscura.
Ribosomas
Estructuras formadas por ARNr y proteínas, constan de dos subunidades de diferente tamaño. Se pueden encontrar libres en el citosol o adheridos a la membrana nuclear externa. Su función es realizar la fase de traducción durante la síntesis proteica.
Centrosoma
Exclusivo de células animales, formado por un par de centríolos rodeados de material pericentriolar y fibras del éster. Participa en la formación del huso acromático durante la división celular.
Cilios y Flagelos
Estructuras derivadas de los centríolos situadas en la superficie celular, implicadas en la locomoción de las células.
El Núcleo Celular
Núcleo Interfásico
Ocupa una porción variable del espacio celular. Consta de envoltura nuclear (doble membrana), poros nucleares, cromatina, nucleoplasma y nucléolo.
Núcleo Mitótico
Durante la división celular, el núcleo cambia de fisionomía al desintegrarse la membrana nuclear y condensarse la cromatina, dando lugar a los cromosomas.
Cromosomas
El número de cromosomas es constante para cada especie, salvo en las células germinales o sexuales, que tras un proceso de meiosis reducen su número a la mitad. La gran mayoría son organismos diploides (2n).
El Ciclo Celular
- Fase G1: Síntesis de proteínas y crecimiento de estructuras y orgánulos celulares.
- Fase G0: Permanecen y en la que entran inmediatamente después de la mitosis, manteniéndolas “aparcadas” sin que se dé en ellas un nuevo proceso de división celular.
- Fase S: Síntesis o replicación del ADN y de histonas.
- Fase G2: Preparación para la división celular y síntesis de proteínas necesarias para la mitosis.
- Fase M: Mitosis, división celular en dos células hijas idénticas.
Mitosis y Meiosis: División Celular
Mitosis
- Profase: La cromatina se condensa y espiraliza dando lugar a los cromosomas. Surgen fibras polares y se forma el huso acromático. La membrana nuclear y el nucléolo dejan de ser visibles.
- Metafase: Los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación y forman la placa ecuatorial.
- Anafase: Las cromátidas de cada cromosoma se separan hacia cada polo.
- Telofase: Desaparecen los microtúbulos cinetocóricos. Reaparecen los nucléolos y los cromosomas se empiezan nuevamente a descondensar y reaparece la membrana nuclear alrededor de cada grupo de cromátidas formándose nuevamente el núcleo y también los nucléolos. Finalmente tiene lugar la citocinesis.
Meiosis
Primera División Meiótica: Profase I
- Leptotena: La cromatina se condensa y espiraliza.
- Zigotena.
- Paquitena: Ocurre el sobrecruzamiento (recombinación génica).
- Diplotena: Los cromosomas homólogos permanecen levemente unidos por los puntos de intercambio dónde se ha producido sobrecruzamiento, llamados quiasmas.
- Diacinesis: Los cromosomas se condensan y espiralizan al máximo.
Metafase I
Desaparecen la membrana nuclear y el nucléolo. Los bivalentes se colocan en el centro de la célula formando la placa ecuatorial.
Anafase I
Los cromosomas comienzan a separarse hacia cada polo, cada cromosoma se separa de su homólogo.
Telofase I
Los cromosomas se empiezan a descondensar ligeramente. Reaparece la membrana nuclear alrededor de cada grupo de cromosomas. Finalizada la telofase I tiene lugar la citocinesis.
Metabolismo: Catabolismo y Anabolismo
El metabolismo es el conjunto de reacciones bioquímicas que se producen en un ser vivo para realizar sus funciones vitales. Se divide en:
- Catabólicas: Degradación mediante oxidación para obtener energía (ATP), exergónicas.
- Anabólicas: Síntesis de sustancias mediante reducciones, endergónicas.
Catabolismo
Además de energía en forma de moléculas de ATP o GTP, se obtienen sustancias con capacidad reductora, que en muchos casos se incorporan a procesos posteriores que acaban transformándolas también en energía.
Glucólisis
Ruta metabólica que se produce en el citosol, sin intervención del oxígeno, que degrada una molécula de glucosa hasta convertirla en dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato), con un rendimiento de dos moléculas de ATP y dos moléculas de NADH.
C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 PIRUVATO + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
Fermentaciones
- Fermentación láctica: El piruvato se reduce a ácido láctico (lactato).
- Fermentación alcohólica o etílica: El ácido pirúvico se transforma en acetaldehído y este se reduce a etanol.
Respiración Aerobia
- Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico.
- Ciclo de Krebs.
- Cadena transportadora de electrones o cadena respiratoria.
- Fosforilación oxidativa.
Anabolismo
El anabolismo es una parte del conjunto de reacciones del metabolismo que realiza la síntesis de moléculas utilizando la energía y las moléculas con capacidad reductora generadas mediante las reacciones del catabolismo, vistas en el tema anterior.
Dentro de los procesos anabólicos vamos a ver los procesos de fotosíntesis y quimiosíntesis. FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA La fotosíntesis transcurre en los cloroplastos y consiste en la captación de energía lumínica y su utilización para la obtención de energía química (ATP) y de moléculas reductoras (NADPH). Esto constituye la llamada fase lumínica. La fase oscura, independiente de la luz, consiste en un conjunto de reacciones que utilizan la energía y la capacidad reductora generadas en la fase anterior para incorporar carbono inorgánico (CO2 ambiental) a moléculas orgánicas. Esta fase oscura transcurre en el estroma del cloroplasto.FASE LUMÍNICA Pigmento fotosintético: son sustancias derivadas de los isoprenoides que se encuentran en las membranas de los tilacoides, capaces de absorber la luz. “complejos antena”, moléculas de clorofila que se excitan al captar fotones, transfiriendo un electrón a la molécula contigua, que pasa de un estado de reposo a excitado. Fotosistema: Fotosistema I: situados en los tilacoides. Fotosistema II: situados en la grana. 680 nm FOTOFOSFORILACIÓN NO CÍCLICA También llamada esquema en “Z”, Se inicia con la fotólisis del agua, proceso provocado por la luz en el que la molécula de agua se rompe y se separan dos electrones. La ec. global de la fase lumínica: 2 H2O + 2 NADP + 3 ADP +3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP + 2 H+ FASE OSCURA o CICLO DE CALVIN En esta fase se utilizarán los productos obtenidos en la fase anterior para la asimilación y reducción del carbono procedente del CO2 y sintetizar glúcidos. El proceso tiene lugar en el estroma del cloroplasto mediante un proceso cíclico llamado ciclo de Calvin. La ec. global de la fase oscura: 6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP + 12 H+→ C6H12O6 + 6 H2O + 12 NADP + 18 ADP + 18Pi. Si nos referimos a todo el conjunto del proceso fotosintético, la ecuación global que lo representa sería la siguiente: 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2. FOTORRESPIRACIÓN EN PLANTAS C3 Cuando la rubisco actúa con función oxigenasa no capta CO2, sino que capta O2. Esto supone que el rendimiento fotosintético disminuye y supone una pérdida de efectividad fotosintética del 50%. Existe un grupo de vegetales, las plantas C4 (maíz, caña de azúcar, grama, sorgo, amaranto, quinoa,…), evitan que la rubisco actúe con función oxigenasa. Suelen ser plantas de climas calurosos, que deben mantener cerrados los estomas durante el día para evitar la pérdida de vapor de agua. FOTOSÍNTESIS BACTERIANA ANOXIGÉNICA La realizan las bacterias fotosintéticas sulfúreas rojas y verdes. Los pigmentos fotosintéticos, bacterioclorofilas, se sitúan en la cara interna de la membrana celular. IMPORTANCIA DE LA FOTOSÍNTESIS Y FACTORES QUE LA CONDICIONAN IMPORTANCIA: Produce el oxígeno, produce ozono, reduce el nivel de dióxido de carbono y el efecto invernadero y constituye una importante fuente de energía. Factores que condicionan: Concentración de CO2 ambiental: la actividad fotosintética aumenta al aumentar la concentración de CO2 ambiental, hasta un valor máximo después cte. Concentración de O2 ambiental: la actividad de la enzima rubisco decrece cuando aumenta la concentración de O2Humedad del suelo y el aire: al disminuir la humedad disminuye la actividad fotosintética. Temperatura: al aumentar hasta alcanzar un valor óptimo, aumenta el rendimiento de la fotosíntesis. Luminosa: al aumentar la intensidad de la luz aumenta la actividad de la fotosíntesis. Tipo de luz: en función de la longitud de onda de la luz se activarán unos u otros fotosistemas.
ANABOLISMO QUIMIOAUTÓTROFO: QUIMIOSÍNTESIS La clasificación de estos organismos se realiza en función del sustrato que oxidan: Bacterias del nitrógeno: Nitrosomonas: NH4+ + NAD+à NO2– + NADH Y las bacterias nitrificantes y Nitrobacter: NO2– + NAD+à NO3– + NADH ANABOLISMO QUIMIOHETERÓTROFO Las principales rutas de este anabolismo son: Gluconeogénesis, Biosíntesis de polisacáridos, Biosíntesis de ácidos grasos, Biosíntesis de triacilglicéridos, Biosíntesis de aminoácidos, Biosíntesis de bases nitrogenadas.
MUTACIONES Alteraciones al azar del material genético. CLASIFICACIÓN à Somáticas y Germinales; Génicas: mut. en la secuencia de nucleóticos (por sustitución de bases o por pérdida o inserción de nucleótidos, Causas: por errores de lectura, cambios tautoméricos, cambios de bases o lesiones, despurinización, desaminación, dimerización de la Timina o transposición REPARACIÓN: con/sin escisión) ; Cromosómicas: mut. en secuencias de genes (por delección, duplicación, inversión o translocación; DETECCIÓN: bandeo cromosómico o estudio de los emparejamientos) y Genómicas: mut. en cromosomas( ANEUPLOIDÍAS [nulisomía, monosomía, disomía, fusión o fisión céntrica y segregación errónea] EUPLOIDÍAS [monoploidía y haploidía o poliploidía]. Mut. Naturales o Mut. inducidas. LOS AGENTES MUTAGÉNICOS: factores que aumentan la aparición de mutaciones: pueden ser físicos (ionizantes o no ionizantes) o químicos (en las bases nitrogenadas, en la intercalación de moléculas o por la sustitución de una base por otra análoga) Los genes causantes del cáncer se denominan oncogenes. ERRAMIENTAS MOLECULARES VECTORES DE CLONACIÓN: los vectores son las moléculas que se utilizan para realizar el transporte del ADN que permita hacer llegar los fragmentos seleccionados a clonar al huésped que corresponda. Los más comunes en procariotas son los plásmidos bacterianos, bacteriófagos, cósmidos. En eucariotas se suelen utilizar virus. CÉLULAS HUESPED: las receptoras del ADN manipulado. TÉCNICAS DE MANIPULACIÓN DEL ADN LOCALIZACIÓN DE GENES MEDIANTE HIBRIDACIÓN: se utiliza para localizar sobre un cromosoma el lugar dónde se encuentra un determinado gen. SECUENCIACIÓN DEL ADN: consiste en técnicas para secuenciar fragmentos o incluso el total del ADN, es decir para obtener su secuencia de bases nitrogenadas. REACCIÓN EN CADENA DE LA POLIMERASA (PCR): permite amplificar y obtener de forma rápida grandes cantidades de ADN a partir de una pequeña muestra inicial, como es la reacción en cadena de la polimerasa o PCR. Utiliza para ello la enzima ADN polimerasa, con lo que consigue llegar a crear “in vitro” y en poco tiempo, decenas de miles de copias de la molécula de ADN original de doble hélice.
APLICACIONES DE LA INGENIERÍA GENÉTICA Tiene una aplicación instrumental en el campo de la investigación y también en el de la biotecnología, es decir en la utilización de organismos modificados genéticamente (OGM) mediante ingeniería genética, en procesos industriales beneficiosos para el hombre. En investigación científica: Amplificación de la síntesis de proteínas, Construcción de ARN sintético, Construcción de ADN sintético, APLICACIONES MÉDICAS: Producción de proteínas recombinantes de mamíferos, Producción de vacunas recombinantes, Diagnóstico de enfermedades genéticas, Terapia génica u Obtención de organismos transgénicos APLICACIONES AGRÍCOLAS: Obtener plantas resistentes a herbicidas, Obtener plantas resistentes al ataque de insectos, Obtener plantas resistentes a infecciones por microorganismos, Obtener plantas con características que mejoren el producto. MICROBIOLOGÍA, CONCEPTO Y ANTECEDENTES HISTÓRICOS Podemos considerar microorganismos los integrantes del reino Moneras, es decir las bacterias (arqueobacterias y eubacterias), del reino Protistas (protozoos, algas unicelulares y hongos mucosos) y los hongos unicelulares. También los agentes acelulares, como virus, viroides y priones. La microbiología estudia a todos ellos, entre los que se encuentran los denominados microorganismos patógenos, responsables de una gran cantidad de las enfermedades más graves que afectan a seres humanos y animales y plantas en general. MICROORGANISMOS DEL REINO MONERAS En todos los casos, estas formas parasexuales han influido enormemente en la gran diversidad evolutiva que aparece en las bacterias, dado que al añadir más ADN al presente en el cromosoma original, aumentan la variabilidad de los individuos. Finalmente las arqueobacterias tienen características atípicas del resto de las bacterias, como es la ausencia de peptidoglicano en su pared, o la presencia de moléculas de isopreno en lugar de ácidos grasos. En algunas, como las hipertermófilas, las cadenas laterales hidrofóbicas de cada lado de la membrana se unen covalentemente formando una monocapa para resistir mejor las altas temperaturas. Son también arqueobacterias las halófitas (soportan medios hipersalinos) o las metanógenas (productoras de metano en ausencia de oxígeno). MICROORGANISMOS DEL REINO PROTOCTISTAS Los protozoos son eucariotas aerobios y heterótrofos, aunque hay algunos fotosintéticos, sin pared celular, móviles por distintos medios, algunos de vida libre y otros parásitos y patógenos, reproducción asexual es por escisión y pueden presentar reproducción sexual bajo ciertas condiciones adversas. También pueden originar formas de resistencia, en forma de quistes o esporas que se rodean de una gruesa capa de protección frente al exterior. Hay cuatro grupos: Flagelados o euglenozoos: con uno o más flagelos para desplazarse. De vida libre y parásitos como Trypanosoma (enfermedad del sueño) o Leishmania (leishmaniasis).
Sarcodinos, rizópodos o amebozoos: con movimiento ameboide mediante pseudópodos. Algunos con vida libre como los que forman el plancton: foraminíferos (caparazón de carbonato cálcico), o radiolarios (caparazón de silicio). Algunos parásitos, como la Entamoeba (disentería amebiana). Esporozoos: normalmente inmóviles en su madurez. Todos son parásitos estrictos de animales superiores, como Plasmodium (malaria o paludismo) o Toxoplasma (toxoplasmosis). Ciliados o cilióforos: con movimiento mediante cilios, por los que están recubiertos. Con reproducción sexual muy peculiar mediante conjugación. Un ejemplo es Paramecium. Las algas unicelulares son microorganismos fotolitótrofos. Poseen normalmente pared celular de celulosa y gran variedad de sustancias de reserva energética, que en algunos casos es el almidón, como en las plantas. Se clasifican en: euglenofitas, clorofitas, crisofitas y pirrofitas. MICROORGANISMOS DEL REINO HONGOS Son eucariotas unicelulares o pluricelulares talofíticos heterótrofos, muchos de ellos parásitos de organismos superiores, y otros saprofitos y simbiontes, que se encuentran en todos los medios. Poseen pared celular, aunque con una composición a base de quitina, y forman filamentos llamados hifas, que en su conjunto constituyen un micelio. Dentro de los microorganismos del reino hongos nos encontramos dos grupos: Ascomicetos: que comprenden los mohos y las levaduras. Los mohos presentan hifas tabicadas en su micelio, podemos citar a Penicillium o Neurospora. Una de las levaduras más conocidas y utilizadas es Saccharomyces cerevisae, esta es precisamente una de las más importantes desde el punto de vista económico e industrial, ya que se utiliza para fabricar vino, cerveza o pan (recuerda la fermentación alcohólica). Mucormicetos: formados por hifas no tabicadas en su micelio, como Rhizopus nigricans, el moho del pan. RELACIONES BIÓTICAS DE LOS MICROORGANISMOS Parasitismo: en la que un microorganismo (parásito) obtiene un beneficio de otro ser vivo (huésped), causándole daños o enfermedades características, en cuyo caso al parásito se le considera patóge no. Simbiosis: dos organismos (simbiontes) se benefician mutuamente de la relación establecida entre ellos. Algunas son obligatorias. Saprofitismo: son saprófitos los microorganismos que se alimentan de la materia orgánica muerta (cadáveres y excrementos). Son importantísimos en el reciclaje. ENFERMEDADES INFECCIOSAS Infección: es la invasión de un ser vivo por microorganismos patógenos, lo que le provoca algún tipo de enfermedad. Enfermedad infecciosa: enfermedad provocada por un microorganismo capaz de provocar una infección. Microorganismo patógeno: todo aquel microorganismo capaz de provocar una enfermedad infecciosa. Virulencia: capacidad infectiva de un microorganismo. A mayor virulencia, mayor violencia en la actividad del patógeno y por lo tanto mayor gravedad de la infección. Microorganismo oportunista: aquel que no es patógeno en condiciones habituales pero que cuando el sistema inmunológico está debilitado puede multiplicarse y extenderse, pudiendo llegar a provocar enfermedades.
Epidemia: se produce cuando una cierta enfermedad infecciosa aparece en un número muy elevado de individuos en una determinada región, en un corto espacio de tiempo. Endemia: la que está permanentemente presente en una determinada región o población aunque generalmente con baja incidencia, como la malaria en algunas zonas de África. Pandemia: es una epidemia ampliamente distribuida, es decir que afecta a nivel global a grandes regiones o incluso a nivel mundial, como el Sida. Zoonosis: enfermedades infecciosas propias de vertebrados no humanos que puede ser transmitidas al hombre, como la gripe porcina, la rabia. Existen diferentes formas de contagio: Por objetos inertes, Por el agua que bebemos, Por la ingestión de alimentos contaminados por microorganismos patógenos, Por el aire, Por vectores de transmisión o Enfermedades de transmisión sexual (ETS). MÉTODOS DE ESTUDIO DE LOS MICROORGANISMOS Físicos: el más utilizado es la aplicación de calor, tanto seco (llama incandescente, horno,…) como húmedo, de mayor eficacia (autoclave). También son utilizadas las radiaciones electromagnéticas ionizantes y no ionizantes (microondas, rayos X, rayos gamma, luz ultravioleta, electrones,…) y en ciertos casos de esterilización de líquidos y gases, los filtros con poros calibrados que no permiten pasar los microorganismos. Químicos: mediante sustancias naturales o sintéticas con carácter desinfectante o antiséptico, que pueden bien matar los microorganismos (efecto bactericida, viricida, fungicida,…) o bien inhibir su crecimiento (efecto bacteriostático, viristático, fungistático,…). Un caso especial son los antibióticos, de origen natural, fabricados por algunos microorganismos que resultan tóxicos para ciertas bacterias pero no para el huésped. Un caso especial de proceso físico es la pasteurización. Esto permite que el tiempo de conservación de un alimento se alargue considerablemente sin que pierda necesariamente sus propiedades. Lo desarrolló Louis Pasteur, que lo utilizó para controlar el deterioro del vino. El proceso tal como él lo propuso consiste en aumentar la temperatura del alimento hasta los 72ºC durante sólo 15 segundos. Actualmente se utiliza mucho una derivación de ese método llamado sistema UHT que eleva la temperatura hasta los 135-150ºC durante sólo 1 a 3 segundos Los cultivos microbianos cerrados, es decir aquellos a los que no se les añaden posteriormente más nutrientes más que los se incluyeron al principio del proceso, sufren un crecimiento en cuatro fases: Fase de latencia o adaptación: en la que no se observa un crecimiento significativo de la población al encontrarse en proceso de adaptación inicial. Fase de crecimiento exponencial: en la que el crecimiento es logarítmico muy rápidamente, una vez superada la adaptación. Fase estacionaria: en la que el crecimiento se estabiliza en un valor constante, debido a que los nutrientes presentes en el medio (como ya hemos dicho es cerrado) se comienzan a agotar. Al mismo tiempo se acumulan sustancias de desecho de los microorganismos en cantidades que comienzan a ser tóxicas para ellos mismos. Fase de muerte: en la que el número de ejemplares decrece rápidamente sin que haya reposición por el agotamiento total de los recursos y el envenenamiento del medio.
VIRUS Son organismos microscópicos muy pequeños, mucho más que una bacteria, con una organización acelular, no realizan las funciones básicas características de los organismos celulares. En cuanto a la función de relación, sí se relacionan con otros seres vivos, esta vez celulares, siempre para parasitarlos. Aparecen en dos estados: Extracelular, llamado virión o partícula viral, que es inerte por sí misma. Necesita de una célula huésped a la que infectar y luego parasitar para replicarse. Intracelular, es la forma que se obtiene cuando el virión ya ha infectado a una célula y él al completo o su material nucleico se encuentra en el interior celular. La composición de los virus es muy simple, están formados por una cápsida proteica formada por capsómeros, que contiene en su interior un fragmento no muy grande de un ácido nucleico (ADN o ARN mono o bicatenario). Puede ocurrir que sobre la cápsida aparezca una envoltura membranosa que realmente consiste en restos de la membrana de células infectadas anteriormente. En los retrovirus, se han identificado proteínas retrotranscriptasas que realizan la transcripción inversa desde el ARN vírico hasta ADN para que este se inserte en el ADN huésped.
Su clasificación se puede realizar según diferentes criterios: Según el tipo de organismo al que infecta y parasita: virus animales, virus vegetales y bacteriófagos o fagos, que infectan a bacterias. Según el material genético que contienen: ADN-virus, con cadenas de ADN sencillas (bacteriófago M13,…) o dobles (adenovirus); ARN-virus, también con cadenas sencillas (virus de la rabia, gripe, VIH, y retrovirus en general,…), o con cadenas dobles (reovirus, picornavirus,…). El criterio de clasificación más extendido es el que atiende a la forma de la cápsida: Icosaédricos: con forma de poliedro de 20 caras, de aspecto casi esférico. Normalmente con ARN monocatenario. Son ejemplos el virus de la polio. Helicoidales: en forma de bastón alargado que contiene el material genético en su interior, normalmente ARN monocatenario. En el exterior aparecen los capsómeros colocados formando un enrollamiento helicoidal. Son ejemplos el virus de la rabia. Virus complejos: con una suma de las estructuras anteriores. En su forma extracelular los viriones no pueden replicarse, precisan de una célula huésped en la que, mediante la maquinaria replicativa y de expresión de los genes de esa célula, producen copias de su material genético y de las proteínas que componen su cápsida. Estos elementos son ensamblados en el interior de la célula y salen al exterior para infectar nuevas células. El ciclo replicativo de los virus puede seguir dos vías diferentes:Ciclo lítico: en el que los virus después de la infección producen rápidamente nuevos viriones, con la consiguiente lisis celular: Entrada del virus en la célula huésped: adsorción, en la que las espinas caudales o la envoltura membranosa del virus y la célula huésped entran en contacto físico, la penetración, por la que el material genético vírico es inyectado al interior de la célula huésped. De haberse producido la entrada del virión completo, con su cápsida, es preciso que se produzca en el interior la descapsidación.
Eclipse: tiene lugar la replicación del material genético y síntesis de las proteínas víricas. Las proteínas de la cápsida siempre se sintetizan en el citosol. La replicación del material genético tiene lugar en el citosol si es ARN-virus. En el caso de los ADN-virus que infectan a células eucariontes, la replicación tiene lugar obviamente en el núcleo. Maduración y ensamblaje: una vez fabricados en la célula huésped los elementos que componen estructuralmente a los virus, se produce su ensamblaje. Liberación: posteriormente tiene lugar la liberación de los nuevos virus mediante la lisis celular. Es en este momento cuando los virus adquieren la envoltura membranosa que los recubrirá. Ciclo lisogénico: se produce en algunos bacteriófagos o virus atenuados todos con ADN. Tiene lugar la integración del ADN del virión en el ADN celular en forma de profago o provirus, que puede permanecer en forma latente durante mucho tiempo. Esto implica que cuando la célula se divida normalmente, lo hará con el ADN vírico incluido, por lo que todas las células obtenidas lo llevarán en su genoma y la infección se amplificará enormemente. Cuando algún factor externo hace salir de ese estado de latencia al profago, se pone fin a este estado y se produce la activación del profago, iniciándose un ciclo lítico. MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS En los ecosistemas, los microorganismos se encuentran en todos los niveles tróficos: Microorganismos productores: fotoautótrofos como cianobacterias y algas, y quimioautótrofos como por ejemplo bacterias oxidantes del azufre. Microorganismos descomponedores: heterótrofos que se alimentan de detritos orgánicos procedentes de otros seres vivos del ecosistema. Principalmente hongos y bacterias. Son muy importantes puesto que reciclan la materia orgánica a inorgánica. Microorganismos simbióticos: que viven asociados a otros seres vivos , como las bacterias Rhizobium (en los nódulos de las raíces de plantas leguminosas), los líquenes (alga y hongo) o las micorrizas (planta y hongo). CICLO DEL CARBONO Los principales acontecimientos que tienen lugar en este ciclo son los siguientes: Reducción del CO2: Los productores autótrofos incorporan el CO2 en la materia orgánica mediante fotosíntesis oxigénica (cianobacterias y algas unicelulares) o anoxigénica (bacterias sulfurosas rojas y verdes), o mediante quimiosíntesis (bacterias quimiosisntéticas). Respiración: Oxidación del carbono orgánico generado nuevamente hasta CO2, mediante la respiración aerobia o anaerobia, por los propios organismos productores y por los consumidores, para obtener energía. Descomposición: Los organismos descomponedores (bacterias y hongos) utilizan el carbono orgánico de la materia orgánica en descomposición y excrementos y lo regeneran a su forma oxidada, es decir CO2, mediante la respiración aerobia o mediante fermentaciones.
CICLO DEL NITRÓGENO Fijación y amonificación (reducción) del nitrógeno: reducción del gas nitrógeno a ion amonio (amoniaco) por bacterias fijadoras del nitrógeno (Azotobacter, Cianobacterias, Bacillus, Clostridium, Rhizobium,…). Nitrificación: conversión, mediante bacterias aerobias, del amoniaco a nitritos (Nitrosomonas, Nitrosoccocus,…) y de nitritos a nitratos (Nitrobacter,…) Reducción fotosintética del nitrógeno: microorganismos autótrofos incorporan los nitratos a la materia orgánica en forma de aminoácidos. Amonificación: los compuestos orgánicos se degradan hasta amoniaco mediante bacterias amonificantes del género Bacillus. Desnitrificación: proceso de conversión, mediante respiración anaerobia, de los nitratos en gas nitrógeno, que se libera nuevamente a la atmósfera, mediante las bacterias desnitrificantes (Pseudomonas, Microccocus,…). INDUSTRIA ALIMENTARIA Fermentación láctica: para la elaboración de derivados de la leche, como el yogurt, cuajada, kéfir, etc. En el caso del queso debe realizarse una primera fase de fermentación por bacterias (géneros Lactobacillus y Streptococcus) o por la acción de enzimas proteolíticas cuajo. Esta masa se deshidrata y se posteriormente se somete a una curación por la acción de algunos hongos (Penicillium) que actúan sobre ella. Fermentación alcohólica: para la elaboración de bebidas como el vino, cerveza, sidra,… y también del pan. El pan se obtiene por la fermentación de una masa obtenida con harina, agua y sal mediante la levadura Saccharomyces cerevisae. La liberación de dióxido de carbono provoca que la masa se espoje al quedar atrapadas en ella las burbujas de CO2. El alcohol producido se pierde en la cocción. El vino también se produce con la misma levadura, aunque en este caso son los azúcares presenten en el mosto de la uva los que son fermentados para producir la bebida alcohólica. La cerveza utiliza las semillas de cebada, previamente germinadas, para realizar el mismo proceso. Después de mezclarlo con lúpulo, se produce la fermentación por Saccharomyces cerevisae. INDUSTRIA FARMACÉUTICA Antibióticos: para combatir infecciones bacterianas. Alexander Fleming descubrió la penicilina en 1929 a partir de cepas del hongo Penicillium. Algunos antibióticos se obtienen sin embargo a partir de bacterias, como el género Streptomyces, de las que se obtienen la estreptomicina. Vacunas: como medida preventiva ante algunas enfermedades infecciosas. Louis Pasteur en 1885 obtuvo la vacuna contra la rabia. Sueros u Otras sustancias: como hormonas (insulina); factores de coagulación sanguínea (tratar la hemofilia); enzimas; vitaminas, aminoácidos… SISTEMA INMUNITARIO El sistema inmunitario de los vertebrados es uno de los más complejos y sofisticados en los animales. Su misión principal consiste en repeler los gérmenes patógenos y destruir los agresores procedentes del exterior o del interior del organismo tratando siempre de mantener un equilibrio entre células propias y ajenas. El sistema inmunitario es también el responsable del rechazo en los injertos o trasplantes. A veces se altera la percepción de lo propio considerándolo extraño por lo que se producen enfermedades autoinmunes (esclerosis múltiple etc). Son conceptos básicos en la inmunología: Antígeno: sustancia capaz de provocar una respuesta inmunitaria específica. Son detectadas como extrañas y contra las cuales fabrica anticuerpos. Anticuerpo: son las sustancias elaboradas por el sistema inmunológico para unirse de forma específica a cada determinante antigénico, denominadas también inmunoglobulinas (Ig).
DEFENSAS PRIMARIAS O BARRERAS PASIVAS Sistemas muy eficaces para una protección inmediata, son las defensas externas o barreras pasivas que actúan de forma no específica contra cualquier microorganismo o sustancia extraña. Se agrupan en cuatro categorías: Estructurales: recubren al organismo e impiden el acceso de patógenos (piel y mucosas). Mecánicas: sistemas que facilitan el arrastre y la expulsión de los patógenos para evitar que se fijen (cilios que tapizan las vías respiratorias etc). Bioquímicas: secreciones que contrarrestan o neutralizan la acción de agentes patógenos (lisozima en saliva). Biológicas o ecológicas: asentamiento de microorganismos con una relación mutualista con el hospedador. Las defensas externas: Piel, Mucosas, Flora bacteriana autóctona. DEFENSAS CELULARES SECUNDARIAS O INESPECÍFICAS Es el sistema inmunitario innato. Este sistema actúa de forma inespecífica, con mucha rapidez contra cualquier agente extraño. No cuenta con memoria inmunológica. Comprende cuatro tipos de defensas: fagocitosis, reacción inflamatoria, sistema de complemento e interferonas. FAGOCITOSIS Los fagocitos son un tipo de leucocitos que se originan en la médula ósea roja y forman la serie mieloide, con capacidad fagocitaria, destruyendo sustancias extrañas y células envejecidas, rodeándolas con pseudópodos para luego digerirlas. Se distinguen cuatro tipos de fagocitos: Monocitos: salen de los capilares sanguíneos hacia los tejidos circundantes. Si aumentan su tamaño y su capacidad fagocitaria se transforman en macrófagos. Si, permanecen inmóviles en el tejido al que llegan se les denomina histiocitos. Micrófagos: son los más abundantes y con mayor actividad fagocitaria. Producen sustancias antimicrobianas que matan a los microorganismos. Basófilos: actúan en procesos alérgicos e inflamatorios, conjuntamente con los mastocitos del tejido conectivo. Eosinófilos: actúan en las infecciones provocadas por parásitos intracelulares. Los fagocitos deben activarse previamente. Esa unión se ve favorecida por las opsoninas. Las bacterias recubiertas por ellas, y por lo tanto marcadas, es decir opsonizadas, serán fagocitadas con mayor facilidad. Los primeros fagocitos son los histiocitos, fagocitos inmóviles, situados en el mismo tejido invadido. No tienen gran capacidad fagocítica y rápidamente dan paso a los micrófagos. Seguidamente acuden los macrófagos, móviles y con gran actividad fagocítica. Con la emisión de pseudópodos e ingestión del antígeno, el microorganismo muere. Posteriormente se producirá la eliminación de los restos que forma el pus supurado por las heridas infectadas. REACCIÓN INFLAMATORIA Los mecanismos desencadenantes de la respuesta inflamatoria actúan mediante sistemas de activación en cascada. Los síntomas característicos de la inflamación son: rubor, calor, tumefacción y dolor. La reacción inflamatoria se desarrolla en cuatro etapas: Producción del estímulo y Liberación de sustancias mediadoras de la inflamación Factores de estimulación de la fagocitosis, Leucotrienos, Histamina y bradiquinina, que aumentan también la permeabilidad de los capilares sanguíneos y estimulan las terminaciones. Prostaglandinas, que son vasodilatadores de los capilares. Citocinas e interferonas, activan a algunos linfocitos. Actuación de los mediadores de la inflamación sobre los capilares sanguíneos de la región afectada, provocando vasodilatación, aumento de los leucocitos circulantes en la zona, aumento de la permeabilidad capilar, activación de los fagocitos y quimiotactismo (atracción) sobre estos.
SISTEMA DE COMPLEMENTO El sistema de complemento lo forman un conjunto de unas 30 proteínas del suero sanguíneo que tienen la función de complementar y potenciar la acción de los anticuerpos. Al mecanismo de actuación del complemento se le denomina fijación del complemento. Inicialmente las proteínas del complemento se encuentran inactivas y disueltas: Vía clásica, (implicada en la inmunidad celular específica): el complemento se activa por la presencia del complejo antígeno‑anticuerpo. Vía alternativa, (implicada en la inmunidad celular inespecífica), el complemento se activa directamente ante la presencia del antígeno, en ausencia total de anticuerpos específicos. Cualquiera de las dos vías confluye finalmente en la vía terminal del complemento, por la que se forma el complejo de ataque a membranas.. INTERFERÓN Son proteínas no específicas liberadas por las células atacadas por un virus, que tienen la propiedad de proteger a otras células sanas de nuevas infecciones víricas. Su acción se desarrolla sobre las células, a las que dota de resistencia frente a cualquier tipo de virus. Dos niveles: Evita la replicación vírica en las células todavía sanas y favorece la destrucción de las ya infectadas. Activa los macrófagos y los linfocitos B y regula la síntesis de anticuerpos. DEFENSAS CELULARES TERCIARIAS O ESPECÍFICAS Cuando los mecanismos de defensa inespecíficos resultan insuficientes, se activa el sistema de defensa específico o lo que llamamos respuesta inmunitaria. Es el sistema inmunitario adaptativo, presente sólo en los animales vertebrados. Se dirigen únicamente hacia cada tipo concreto de antígeno, actuando de una forma más lenta. Además presentan capacidad de memorización del antígeno. Muestra tolerancia inmunológica, es decir, es capaz de diferenciar las moléculas propias de las extrañas, lo que le permite dirigir el ataque sólo contra las ajenas. Las defensas específicas se basan en el reconocimiento selectivo de los determinantes antigénicos de la superficie del microorganismo patógeno. Una vez que el sistema inmunitario reconoce el antígeno, lanza contra él dos tipos de respuestas, que actúan de modo secuencial, en las que las células implicadas son los linfocitos: La respuesta celular, llamada también inmunidad celular, mediada por células y sin producción de anticuerpos, mediada por los linfocitos T que destruyen los microorganismos portadores de dicho antígeno y las células propias en el caso de estar infectadas por ellos, fundamentalmente en la infección vírica. La respuesta humoral, llamada también inmunidad humoral, mediada por anticuerpos que son sintetizados por los linfocitos B, liberados a la sangre y repartidos por todo el cuerpo para unirse con el antígeno que provocó su producción. En esta acción coopera el sistema de complemento, que ayuda a destruir al microorganismo invasor. LINFOCITOS Los linfocitos son los leucocitos de la serie linfoide. A diferencia de los otros leucocitos, pueden reconocer antígenos concretos y producir una respuesta específica muy efectiva contra ellos. Todos los linfocitos proceden de células de la médula ósea roja, llamadas células Stem, a partir de las cuales se originan los linfoblastos . Posteriormente, los linfoblastos sufren un proceso de diferenciación o maduración, y según el lugar donde transcurra hay dos tiopos: LINFOCITOS T: proceden de linfoblastos que migran de la médula ósea al timo, donde se produce la maduración. Son los responsables de la inmunidad celular y actúan contra células alteradas. Hay varias clases de linfocitos T: Linfocitos TH (linfocitos T4): actúan en primer lugar, por lo que son los responsables del desencadenamiento de la respuesta inmunitaria. Se activan cuando un macrófago, tras fagocitar al microorganismo, coloca algún fragmento de este con actividad antigénica sobre su membrana, junto con los antígenos de histocompatibilidad propios y se lo “enseña” al linfocito TH.
El reconocimiento del antígeno, junto con la acción de la interleucina 1 (IL1), una sustancia segregada por los macrófagos, activan la proliferación del clon (tipo) de linfocitos TH que poseen en su membrana el receptor específico de dicho antígeno. A su vez, este clon produce la interleucina 2 (IL2), que provoca la formación y proliferación de otros tipos de linfocitos T especializados en tareas diferentes y de linfocitos B. Linfocitos TC (linfocitos T8): destruyen las células cancerosas y las infectadas por virus. En todos los casos se produce la muerte celular por contacto directo entre las células y los linfocitos Tc. Linfocitos TS (supresores o reguladores): actúan mediante un proceso inverso al de los linfocitos TH. Su misión consiste en disminuir la respuesta inmunitaria, y actúan cuando es necesario detenerla, una vez eliminado el antígeno. LINFOCITOS B: proceden de linfoblastos que maduran en la propia médula ósea roja. En presencia de antígenos fabrican anticuerpos específicos encargados de reconocerlos, dando lugar a la denominada inmunidad humoral. Una vez activados, a estos linfocitos se les llama células plasmáticas. Los linfocitos están formados por clones diferentes, cada uno posee un receptor antigénico específico con una estructura complementaria a la del antígeno al que se une. Esta unión los sensibiliza y les permite responder a las señales de la interleucina 2 (IL2) producida por los linfocitos TH, que les induce a proliferar y transformarse en células plasmáticas productoras de anticuerpos. Además de los linfocitos T y B citados hay otras clases: Linfocitos noT-noB y Células de memoria. ANTICUERPOS O INMUNOGLOBULINAS Los anticuerpos o inmunoglobulinas (Ig), son estructuras proteicas formadas por la asociación de cuatro cadenas polipeptídicas, dos de ellas pesadas (H) y las otras dos ligeras (L), unidas entre sí por puentes disulfuro formando una estructura en forma de “Y”. Hay cinco clases diferentes de in-munoglobulinas: IgG, IgM, IgA, IgD e IgE. A su vez, cada una de las cadenas ligeras y pesadas incluye una región variable (VL y VH) con una secuencia de aminoácidos característicos de cada anticuerpo, y una región constante (CL y, CH), con la misma secuencia en todos los anticuerpos de la misma clase de anticuerpo. Las regiones variables (VL y VH) comprenden la mitad de las cadenas ligeras (VL) y la cuarta parte de las cadenas pesadas (VH), y se localizan en la parte superior de la “Y”, constituyen los sitios activos del anticuerpo, llamados parátopos, por los que se unen a los epítopos de los antigenos. La región constante (CL y CH) es la zona de la molécula que dirige su actividad biológica, es decir, regula las funciones que desempeñan las inmunoglobulinas dentro del sistema inmunitario, entre las que destacan las siguientes: Neutralización de los efectos nocivos del antígeno, al unirse a este el anticuerpo. Precipitación al agregarse al antígeno varios anticuerpos, haciéndolo insoluble y facilitando el ataque de los fagocitos. Aglutinación de los antígenos mediante su unión a anticuerpos, lo que provoca agregados que facilitan su destrucción. También se producen efectos indirectos a partir de la unión antígeno-anticuerpo, como la opsonización o la activación del sistema de complemento (ya vistos).
ACTUACIÓN DEL SISTEMA INMUNITARIO ADAPTATIVO La respuesta primaria se desencadena ante un primer contacto con un determinado antígeno. Cuanto tiene lugar un segundo contacto con el mismo tipo de antígeno se produce una respuesta secundaria en la que, mediante la actuación de los linfocitos de memoria, se produce una respuesta mucho más rápida que en la primaria.
INMUNIDAD NORMAL La inmunidad que se desarrolla frente a determinados antígenos puede deberse a procesos naturales, inmunidad natural, o bien producirse por la actuación humana, inmunidad artificial. En cada uno de los casos además la inmunidad puede ser activa, si es el propio organismo quién fabrica los anticuerpos como respuesta a la presencia del antígeno, o pasiva, si adquiere los anticuerpos ya formados por otro organismo. Se distinguen, por lo tanto, cuatro tipos diferentes: Inmunidad natural pasiva: por la transferencia de anticuerpos de la madre al feto. Tiene el objeto de proporcionar al recién nacido los anticuerpos necesarios cuando aún su sistema inmune está inmaduro. Inmunidad natural activa: el proceso natural producido tras una infección por la consecuente respuesta primaria del organismo. Inmunidad artificial pasiva: por la introducción en el organismo de anticuerpos fabricados previamente. La sueroterapia utiliza dos tipos de sustancias, los sueros, exclusivamente con anticuerpos específicos para un solo antígeno, y las gammaglobulinas, que son una mezcla de anticuerpos específicos para varios antígenos. Inmunidad artificial activa: se produce por la estimulación del propio sistema inmune al introducir antígenos específicos en una vacuna. DEFICIENCIAS DEL SISTEMA INMUNITARIO Son anomalías en el funcionamiento del sistema inmune que le impiden actuar eficazmente frente a los antígenos, pudiendo provocar graves consecuencias al organismo que las padece. ENFERMEDADES AUTOINMUNES Actuación autodestructiva del sistema inmunológico, que ataca a las propias células llamada autoinmunidad.Algunas enfermedades autoinmunes son la artritis reumatoide, la diabetes juvenil, la esclerosis múltiple, la psoriasis etc REACCIONES DE HIPERSENSIBILIDAD Se produce cuando la respuesta que elabora el sistema inmunitario ante un antígeno es exagerada. Un tipo de hipersensibilidad son las llamadas reacciones alérgicas, de acción inmediata pocos minutos después de la exposición al antígeno, llamado alérgeno. Estas sustancias actúan como antígenos, desencadenando la formación de anticuerpos que reaccionan violentamente. La primera inoculación del alérgeno se llama sensibilizante, la segunda se denomina desencadenante, provocando lo que se llama choque anafiláctico.INMUNODEFICIENCIAS Se producen por la incapacidad del organismo para dar una respuesta inmunitaria adecuada frente a un antígeno, con lo que estos no son neutralizados y por lo tanto desarrollan su acción dañina sobre él. Hay dos tipos: Inmunodeficiencias congénitas: de origen genético. Los linfocitos B que se forman son incapaces de elaborar suficientes anticuerpos para destruir los agentes patógenos.
Inmunodeficiencias adquiridas: provocan una disminución de las defensas en un individuo con un sistema inmunitario que funciona correctamente, lo que le hace vulnerable. Entre las inmunodeficiencias adquiridas más graves se encuentra el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Está producido por el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), que ataca y destruye los linfocitos TH, lo que provoca que el organismo no pueda protegerse eficazmente contra los antígenos de cualquier tipo o contra las células tumorales propias, lo que lleva a la persona afectada a sufrir continuas infecciones y ciertos tipos de cáncer. SISTEMA INMUNITARIO Y CÁNCER En ciertas ocasiones algunas células se transforman y comienzan a dividirse activamente de forma incontrolada, formando un tumor. TRASPLANTES DE ÓRGANOS Los trasplantes o injertos de órganos son cada vez más frecuentes y actualmente tienen un grado de éxito elevadísimo. Su mayor dificultad está en el posible rechazo. Los antígenos responsables del rechazo son los llamados antígenos del complejo mayor de histocompatibilidad (MHC). En la especie humana a este complejo se le llama HLA (antígenos leucocitarios humanos). Es imprescindible que los antígenos HLA de donante y receptor sean iguales o muy similares. Además para inhibir la respuesta inmunológica se administran fármacos que provocan inmunosupresión. En función de la procedencia del tejido trasplantado podemos clasificar los injertos o trasplantes en cuatro categorías: Autoinjerto o autotrasplante: si procede del mismo individuo que lo recibe. Isoinjerto o isotrasplante: si procede de otro individuo de la misma especie que tiene exactamente los mismos antígenos HLA que el receptor. Aloinjerto o alotrasplante: si procede de otro individuo de la misma especie que tiene los antígenos HLA semejantes pero no idénticos. Xenoinjerto o xenotrasplante: si procede de un individuo de diferente especie.