Las Enzimas

Las enzimas son proteínas que aumentan (principalmente) o disminuyen la velocidad de las reacciones químicas del metabolismo celular. Todas tienen en común:

• Son catalizadores, es decir, actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente (no se consumen).
• Son específicas, actúan sobre uno o pocos sustratos; cada enzima cataliza una reacción concreta.

Los reactivos o sustratos en una reacción química se transforman en productos debido a que la energía de los productos es menor que la de los reactivos. Hay una barrera energética que impide que los reactivos reaccionen de manera espontánea y se denomina energía de activación, que ocurre en el estado de transición. Cuanto menor es la energía de activación, mayor es la velocidad de la reacción. Los catalizadores actúan disminuyendo la energía de activación sin modificar el balance energético ni el equilibrio de la reacción.

Las etapas de la reacción enzimática son:

• Se aproxima la enzima al sustrato.
• Se forma el complejo enzima-sustrato (estado de transición). El centro activo de la enzima consta del sitio de unión formado por los aminoácidos que se anclan al sustrato y el sitio catalítico, formado por los aminoácidos que llevan a cabo la reacción.
• Se libera la enzima que interviene en otra reacción.

Ácidos Nucleicos

Son el ADN y el ARN, macromoléculas que almacenan y transmiten la información genética. Son polímeros formados por subunidades de nucleótidos que contienen C, H, O, N y P.

Los Nucleótidos

Existen 5 diferentes con una estructura común de 3 componentes:

• Una pentosa, un monosacárido de 5 átomos de C que puede ser:
  • β-D-ribosa en el ARN
  • β-D-desoxirribosa en el ADN
• Una base nitrogenada, un compuesto orgánico cíclico que contiene 2 o más átomos de N y puede ser de 2 tipos:
  • Purina: la adenina (A) o la guanina (G)
  • Pirimidina: la citosina (C), timina (T) o uracilo (U).
• Una molécula de ácido fosfórico.

Las bases A, G, C y T están en el ADN y en el ARN se sustituye la T por U.

Un nucleótido se forma por la unión de:

• La pentosa a una base nitrogenada. Un C de la pentosa se une a un N de la base nitrogenada a través de un enlace N-glucosídico, desprendiendo una molécula de H₂O.
• La pentosa se une a una molécula de ácido fosfórico. Un C de la pentosa (diferente al que se une a la base nitrogenada) se une al ácido fosfórico mediante un enlace éster.

Los nucleótidos se clasifican en:

• Desoxirribonucleótidos, que tienen como azúcar la D-2-desoxirribosa y como bases nitrogenadas A, T, G y C.
• Ribonucleótidos, como azúcar la D-ribosa y como bases nitrogenadas A, G, C y U.

Formación de los Ácidos Nucleicos

Están formados por muchos nucleótidos que se unen formando largas cadenas. Los nucleótidos se unen por un enlace éster entre un grupo OH del ácido fosfórico de un nucleótido y un grupo OH de la pentosa del siguiente nucleótido; así, cada molécula de ácido fosfórico se une por 2 enlaces éster, uno con una pentosa de un nucleótido y otro con la pentosa del siguiente nucleótido, por eso se denomina enlace fosfodiéster.

El ADN

El ácido desoxirribonucleico (ADN) está formado por desoxirribonucleótidos, cuya pentosa es la β-D-desoxirribosa y las bases nitrogenadas A, G, C y T. Es la molécula de la herencia, ya que la secuencia de nucleótidos determina las características de un individuo. En las eucariotas está en el núcleo.

El ADN tiene 3 niveles de complejidad:

• Estructura primaria. Es la secuencia de nucleótidos.
• Estructura secundaria. Es la disposición espacial de las 2 cadenas de ADN, determinada por Rosalind Franklin y descrita por Watson y Crick en su modelo de doble hélice, que dice:
  • Las cadenas son antiparalelas, tienen sentido opuesto.
  • Las cadenas se unen por sus bases nitrogenadas, entre una púrica y una pirimidínica que son complementarias (A-T y G-C).
  • La doble cadena forma una doble hélice dextrógira, gira a la derecha vista desde arriba.
  • Las bases nitrogenadas se sitúan en el interior de la doble hélice y las pentosas y fosfatos forman el esqueleto.
• Estructura terciaria. Las cadenas de ADN son muy largas, por lo que en el núcleo de las eucariotas se asocian a proteínas, lo que permite la condensación en forma de fibras de cromatina y cromosomas.

Ácido Ribonucleico (ARN)

El ARN está formado por ribonucleótidos cuya pentosa es la β-D-ribosa y las bases nitrogenadas A, U, C y G. Sus características son:

• Es monocatenario, no forma doble cadena como el ADN, salvo en ciertos virus.
• Es más pequeño que el ADN, contiene menos nucleótidos.
• El ARN se localiza tanto en el núcleo como en el citoplasma. Con frecuencia forma plegamientos o apareamientos entre bases nitrogenadas de diferentes regiones de la molécula, lo que se denomina horquillas de estructura secundaria.

Hay 3 tipos de ARN:

• ARN mensajero (ARNm). Transporta la información desde el núcleo hasta el citoplasma para la síntesis de proteínas.
• ARN ribosómico (ARNr). Se une a muchas proteínas diferentes y forma los ribosomas. Son moléculas de diferentes tamaños y en algunas zonas presentan horquillas.
• ARN transferente (ARNt). Transporta los aminoácidos del citoplasma hasta los ribosomas, colocándolos según la secuencia del ARNm. Son cadenas pequeñas que presentan horquillas en algunas zonas y cada ARNt se une a un aminoácido específico.

Los ácidos nucleicos realizan 3 funciones principales en la célula:

• El ADN transmite la información genética a la descendencia.
• La información del ADN regula las funciones celulares. La mayor parte de la información se utiliza para sintetizar proteínas, donde interviene el ARN.
• El ADN permite los cambios en los organismos, la evolución.

Estas funciones de los ácidos nucleicos se realizan a través de 2 procesos fundamentales:

• Replicación. Es cuando una molécula de ADN se duplica formándose 2 copias idénticas. En un determinado punto la doble hélice se abre, se separan las 2 cadenas de nucleótidos y se forman 2 cadenas nuevas idénticas.
• Síntesis de proteínas. Ocurre en 2 pasos sucesivos:
  • Transcripción. Es cuando la información de un fragmento de un gen se copia en una molécula de ARNm en el núcleo de las células eucariotas, proceso catalizado por la ARN polimerasa que sintetiza la cadena de ARNm mientras avanza por la cadena de ADN. La copia se realiza según la complementariedad de las bases, donde la T se sustituye por el U.
  • Traducción. Se produce en el citoplasma, en el ribosoma, que lee la información del ARNm que llegó del núcleo codificada en forma de tripletes de nucleótidos o codón.

El ARNt que contiene un triplete de nucleótidos o anticodón se une específicamente a un aminoácido del citoplasma y lo traslada al ribosoma donde el triplete complementario lo reconoce; así, aminoácido a aminoácido se va formando la proteína.

La Organización de los Seres Vivos

Las biomoléculas están formadas por los mismos elementos químicos que la materia inerte y reaccionan de manera similar. La materia viva es más que un conjunto de biomoléculas y está jerarquizada en niveles de organización, y cada nivel se forma por interacción de elementos del nivel anterior. Así, el conjunto es más que las partes, se denomina propiedades emergentes. Por ejemplo, el corazón está formado por tejido muscular, tejido epitelial y tejido conjuntivo; ninguno de ellos tiene la capacidad de bombear la sangre a través de los vasos sanguíneos. Sin embargo, todos juntos adquieren una propiedad emergente: bombear la sangre.

Niveles de Organización de la Materia Viva

Son de menor a mayor: subatómico, bioelemento, biomolécula, orgánulo, célula, tejido, órgano, aparato o sistema, organismo, población, ecosistema, bioma y biosfera. El primer nivel biótico es la célula; los inferiores son abióticos.
La materia está formada por partículas elementales que no tienen estructura interna. Estas se dividen en:

• Partículas materiales. Forman la materia y se denominan fermiones. Son los leptones y los quarks.
• Partículas de campo. Transmiten fuerzas y se denominan bosones; entre ellos están los fotones, gluones, etc.

De las Partículas Elementales a las Células

Las partículas elementales y sus interacciones forman las partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones. El nivel molecular es muy heterogéneo, pueden ser moléculas pequeñas y sencillas como el agua (H₂O) o macromoléculas complejas como el ADN, o supramoleculares formadas por la unión de varias moléculas (ADN y proteínas) como la cromatina. Estas dan lugar a los orgánulos celulares (mitocondrias, ribosomas, cloroplastos, etc.) y estos forman la célula.

De las Células a los Organismos

Una única célula constituye un organismo unicelular, una bacteria o una levadura, que realiza las 3 funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Los organismos pluricelulares tienen millones de células; estas forman tejidos, conjuntos de células especializadas que realizan una misma función. Los tejidos se organizan entre sí y forman los órganos, que de manera coordinada forman los aparatos o sistemas, que en conjunto forman un organismo.

Más Allá del Organismo

Los organismos de una misma especie no viven aislados en la naturaleza, sino que se juntan y habitan una zona determinada formando poblaciones. Las poblaciones de diferentes especies establecen interacciones ecológicas y constituyen comunidades o biocenosis, componentes bióticos de los ecosistemas, donde los seres vivos interaccionan con el medio físico. Todos los seres vivos de la Tierra forman la biosfera.

Las Fronteras de la Vida

Todos los seres vivos están formados por células. Existen en la naturaleza otras formas que carecen de estructura celular, no pueden alimentarse ni crecer, y solo se reproducen cuando parasitan una célula y utilizan sus estructuras vitales. Existen estructuras acelulares que están en la frontera entre el mundo de los seres vivos y los inertes.

Los Virus

Los virus son agentes infecciosos y parásitos formados por ácidos nucleicos y proteínas que se replican dentro de la célula que infectan, ya que necesitan la maquinaria celular para reproducirse. Los virus están donde hay vida y probablemente existen desde que aparecieron las primeras células. Pueden infectar a todos los seres vivos: bacterias, hongos, protoctistas, animales y plantas. Se han descubierto unos 5000 virus, pero se cree que existen cientos de miles.

Estructura de los Virus

Es muy simple y consta de:

• Un ácido nucleico que constituye su genoma, puede ser ADN o ARN y ser de cadena simple o doble. El tamaño del genoma es variable, desde 1700 nucleótidos como el virus de la hepatitis delta hasta los 800.000 nucleótidos como el mimivirus.
• La cápside es una cubierta de proteínas codificadas por el virus que envuelve su genoma.
• Algunos virus presentan una membrana lipídica que rodea la cápsida, como el virus del sida.
• Los virus más complejos, como los bacteriófagos, tienen otras estructuras como la cola, por donde inyectan el ácido nucleico en el interior de la bacteria, y fibras proteicas, que intervienen en el reconocimiento de la célula hospedadora, etc.

¿Cómo se reproducen los virus?

El ciclo reproductivo consta de:

• Reconocimiento del hospedador y penetración en la célula. La mayoría tienen proteínas en su cápsida que se unen específicamente a proteínas receptoras de la membrana celular. En algunos casos entra todo el virus, en otros inyecta el ácido nucleico.
• Replicación del virus. Se producen múltiples copias del genoma, proteínas de la cápsida y otros componentes virales. Esto depende del genoma del virus y de la célula. A veces el virus permanece en la célula sin replicarse, se denomina ciclo lisogénico.
• Formación de viriones y salida de la célula. Los componentes de los virus o viriones se ensamblan y forman virus que infectan otras células, produciendo la lisis de la célula o no.

Los Viroides

Son patógenos de plantas, son más sencillos que los virus, no poseen cápsida ni envoltura lipídica, no codifican ninguna proteína y para su replicación emplean la maquinaria celular. Constan de una cadena de ARN sencilla, circular covalentemente cerrado. Los viroides van de 200 a 2000 nucleótidos y se piensa que son virus primitivos.

Los Priones

Son agentes infecciosos formados por proteínas que presentan alteraciones de la estructura tridimensional. La infección se produce cuando un prion contacta con una proteína nativa con un plegamiento normal; así, se modifica el plegamiento y se transforma en prion, que produce agregados no funcionales de la proteína que causan la enfermedad, por ejemplo, el mal de las vacas locas o encefalopatía espongiforme.