Estructura y funciones de las proteínas

Las proteínas son polímeros con elevado peso molecular que resultan de la unión mediante enlaces peptídicos de subunidades más pequeñas llamadas aminoácidos. Las proteínas se distinguen en cuatro niveles estructurales:

• Estructura primaria: es la secuencia de aminoácidos en una cadena peptídica que es característica de cada proteína y depende de su especificidad.
• Estructura secundaria: es la disposición espacial de la cadena en el espacio. Da lugar a formas helicoidales o a formas en lámina plegada. Se estabiliza en puentes de hidrógeno entre distintas partes de la molécula.
• Estructura terciaria: es la forma tridimensional de la proteína y se debe a la formación de enlaces entre los grupos R de los aminoácidos.
• Estructura cuaternaria: se alcanza cuando se asocian dos o más cadenas iguales o diferentes.

Funciones de las proteínas

En un ser vivo hay miles de proteínas distintas y cada una de ellas solo realiza una función específica. Las funciones más importantes de las proteínas son:

• Transportadora: muchas proteínas actúan como vehículo de transporte de sustancias, por ejemplo, la hemoglobina y la hemocianina.
• Estructural: forman parte de la estructura de las membranas y orgánulos celulares o de algunos componentes y órganos, como la elastina.
• Contractil: proteínas como la actina y la miosina forman fibras contractiles que permiten el movimiento de células musculares.
• Reguladora: algunas proteínas controlan los procesos biológicos, como la ciclina que regula la división celular.
• Defensa: los anticuerpos son proteínas producidas por el sistema inmunitario e implicadas en la defensa del organismo.
• Enzimática: regulan las reacciones celulares y son las proteínas más numerosas.

Estructuras de los ácidos nucleicos

Los ácidos nucleicos están formados por miles de moléculas de menor tamaño conocidas como nucleótidos, que son monómeros constituidos por una molécula de ácido fosfórico en forma de grupo fosfato, una pentosa que puede ser ribosa o desoxirribosa, y una base nitrogenada que se clasifican en primídicas y puricas.

Tipos de ácidos nucleicos

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: el ADN o ácido desoxirribonucleico y el ARN o ácido ribonucleico.

ADN

El ADN es una molécula compleja formada por la unión de nucleótidos en la que está la desoxirribosa y las bases nitrogenadas.

Estructura del ADN

Cada molécula de ADN está formada por dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje imaginario en forma de doble hélice. Las dos hélices son antiparalelas entre sí. Las dos cadenas se mantienen juntas gracias a los puentes de hidrógeno que se establecen entre los pares de bases complementarias: la citosina con la adenina y la guanina con la timina.

Función del ADN

El ADN es la molécula portadora de los caracteres hereditarios. Por ello, debe cumplir dos funciones:

• Contener la información genética: en el orden o secuencia en que se unen esos nucleótidos con otros para el desarrollo y mantenimiento de la vida.
• Capacidad de duplicación: el ADN es la única molécula en los seres vivos que puede autocopiarse, lo que permite que la información genética se transmita de generación en generación.

ARN

El ARN está constituido por la ribosa y, en vez de tener timina, se sustituye por uracilo.

Estructura del ARN

Suele estar formado por una sola cadena mucho más corta que el ADN.

Tipos y función del ARN

Existen tres tipos de ARN que intervienen en la síntesis de proteínas:

• ARN mensajero: responsable de copiar la información del ADN y llevarla hasta los ribosomas para dirigir la síntesis de proteínas.
• ARN de transferencia: transporta los aminoácidos hasta los ribosomas para que puedan construir la cadena de proteína.
• ARN ribosómico: forma parte de la estructura de los ribosomas.

Replicación de la molécula de ADN

1. Helicasa: rompe los enlaces que unen las bases.
2. Topoisomerasas: desenrollan la hebra de ADN.
3. Proteínas SSB: permiten que no se junte el ADN.
4. ADN polimerasa: ARN primer o cebador.
5. ADN polimerasa 3.
6. ADN polimerasa 1: quita ADN sustituyéndolo por ARN.
7. ADN ligasa: une los fragmentos.

La teoría celular

Antes del siglo XVIII no se sabía que los seres vivos estaban formados por pequeñas unidades vivas llamadas células. Hasta mediados del siglo XIX, cuando gracias a las observaciones realizadas por Schwann, se publica una teoría sobre la naturaleza y el significado de las células denominada teoría celular, que en su concepto moderno afirma: la célula es la unidad estructural y funcional en todos los seres vivos. Toda célula proviene por división de otra célula ya preexistente. Toda célula tiene información hereditaria para su control y funcionamiento.

Estructura básica de la célula

Las células tienen en común tres estructuras que son la membrana, el citoplasma y el material genético o ADN. Según el grado de complejidad y organización, se diferencian dos tipos de células: procariotas y eucariotas.

La célula procariota

Posee una organización muy sencilla y carece de verdadero núcleo. Su ADN está libre en el citoplasma formando el nucleoide. Las bacterias son procariotas.

La célula eucariota

Son más grandes y tienen una organización más compleja. Al contrario de las células procariotas, poseen un verdadero núcleo y diferentes orgánulos y cavidades. Las células animales pueden ser de dos tipos: animales y vegetales.

Estructura de la célula eucariota

En la estructura de la célula eucariota se distinguen:

• Membrana plasmática: envuelve, da forma y separa la célula del medio extracelular. Se compone de una bicapa de fosfolípidos entre los que intercalan moléculas de colesterol.
• Citoplasma: formado por el citosol o fluido acuoso parecido a un gel en el que están suspendidos cientos de orgánulos celulares.
• Núcleo: es una de las estructuras celulares de mayor tamaño. Está constituido por la envoltura nuclear que encierra el nucleoplasma o medio interno del núcleo, el nucleolo y la cromatina que se encuentran inmersos en el medio.

Estructura de la célula animal

Las células animales poseen una organización compleja y una elevada actividad metabólica. En su citoplasma se han identificado muchos tipos de orgánulos que, para su estudio, se han dividido en dos grupos:

Orgánulos membranosos

Son sacos que están formados por membranas celulares.

Orgánulos no membranosos

No poseen membranas, sino que están formados por filamentos microscópicos.

Orgánulos no membranosos:

• Citoesqueleto: es un andamiaje tridimensional y flexible formado por filamentos proteicos. Mantiene la forma de las células sin pared celular y regula el movimiento del contenido celular en todas las células.
• Centrosoma: es la zona próxima al núcleo que interviene en la organización de los filamentos proteicos del citoesqueleto. En las células animales consta de centriolos.
• Ribosomas: son pequeñas estructuras formadas por ADN y proteínas. Pueden encontrarse libres en el citoplasma o unidos al retículo endoplasmático. Intervienen en la síntesis de proteínas.

Orgánulos membranosos

• Mitocondria: son pequeños orgánulos de forma esférica y elíptica. Cada mitocondria está rodeada por una matriz. La membrana interna está sumamente plegada, formando crestas mitocondriales. Estas mitocondrias tienen lugar en las reacciones químicas de la respiración celular que producen energía.
• Aparato de Golgi: está compuesto por una serie de sacos curvos huecos, apilados uno sobre otro y rodeados de vesículas. Recibe, modifica y empaqueta las proteínas sintetizadas en el retículo endoplasmático rugoso para su exportación desde la célula.
• Lisosomas: son pequeñas vesículas esféricas rodeadas de membranas que contienen enzimas digestivas. Degradan orgánulos celulares desgastados y moléculas complejas.
• Retículo endoplasmático: es un sistema de membranas comunicadas entre sí que se extiende por todo el citoplasma y puede ser de dos tipos: RER, en el que las proteínas de la célula, fabricadas en los ribosomas, adquieren su estructura y sintetiza algunas proteínas de la célula; y REL, que está formado por tubos lisos ya que carece de ribosomas y participa en la síntesis de los lípidos.
• Peroxisomas: son otro tipo de vesículas cargadas de enzimas que se encuentran en el citoplasma de algunas células, como las hepáticas o las renales.

Estructura de la célula vegetal

Las células vegetales presentan una estructura parecida a las células animales, aunque presentan algunas diferencias. Carecen de centriolos y tienen algunos orgánulos y estructuras exclusivos:

Pared celular:

Presentan una pared celular rígida que rodea la membrana plasmática, formada por microfibrillas de celulosa que se mantienen unidas por lignina.

Plastos:

Fabrican o almacenan nutrientes o pigmentos. Existen tres tipos: leucoplastos, cromoplastos y cloroplastos.

Vacuolas:

Son grandes espacios rodeados por una membrana que llegan a ocupar el 90% de la célula vegetal.

La teoría de la endosimbiosis seriada

Explica que las células eucariotas descienden de células procariotas primitivas a las que hace millones de años se fusionaron bacterias por simbiosis sucesivas que les confirieron nuevas funciones más ventajosas. Las células desarrollaron una relación de mutuo beneficio con sus huéspedes y pronto se convirtieron en parte integral de las células huésped. Las pruebas de esta teoría se basan en que las mitocondrias y los cloroplastos contienen ADN y ARN y enzimas similares a las que se encuentran en las bacterias. Las mitocondrias se originaron hace unos 2000 millones de años a partir de antiguas bacterias aerobias. Las sucesivas endosimbiosis dieron lugar a las células procariotas primitivas, las células heterótrofas primitivas estaban provistas de mitocondrias y dieron lugar a las precursoras de las células animales. Las células autótrofas primitivas estaban dotadas de mitocondrias y cloroplastos, que fueron las células precursoras de las plantas.

El ciclo celular

Es la secuencia de acontecimientos que se producen en la célula desde que se origina como resultado de la división celular hasta que esa misma célula comienza a dividirse. Al final de cada fase del ciclo celular existe un punto de control donde la célula examina las condiciones internas y externas y decide avanzar o no a la etapa siguiente. Si se pierde el control, puede originar un cúmulo de células que pueden originar tumores.

Fases del ciclo celular

• Interfase: es la etapa más activa del ciclo celular y se divide en G1, S y G2.
• División celular o fase M: se produce después de completar la interfase y en esta etapa tienen lugar la mitosis y la citocinesis.

La mitosis

Es un proceso de reproducción celular por el cual, a partir de una célula madre, se originan dos células hijas. Incluye cuatro etapas que son continuas:

1. Profase: los cromosomas se condensan y empiezan a hacerse visibles con sus dos cromátidas hermanas unidas por el centrómero. Los microtúbulos del citoesqueleto se organizan y forman el huso mitótico.
2. Metafase: los cromosomas alcanzan su máximo grado de condensación y son fácilmente observables al microscopio. Se unen a los microtúbulos del huso mitótico y emigran hacia el ecuador de la célula formando la placa ecuatorial.
3. Anafase: los microtúbulos del huso, unidos a los centrómeros de los cromosomas, se acortan y desplazan las cromátidas de cada cromosoma hacia los polos opuestos de la célula.
4. Telofase: las cromátidas convertidas en cromosomas hijos alcanzan los polos de la célula y empiezan a descondensarse. Se forman nuevas envolturas nucleares que engloban a cada conjunto de cromosomas. El núcleo reaparece y los microtúbulos desaparecen.

Citocinesis:

Consiste en la separación del citoplasma. En las células animales, se realiza por estrangulación, formando un anillo contráctil que se estrecha hasta dividir el citoplasma. En las células vegetales, se divide por la fusión de pequeñas vesículas que forman un tabique de separación denominado fragmoplasto.

La meiosis

Es un proceso únicamente implicado en la reproducción sexual que tiene como resultado 4 células hijas haploides.

Primera división meiótica

1. Profase 1: es la etapa más compleja y de mayor duración. En esta fase, los cromosomas homólogos se emparejan gen a gen mediante la sinapsis y forman pares de cromosomas o tetradas. Los cromosomas homólogos se enlazan entre sí formando quiasmas, y entre ellos se produce el entrecruzamiento, lo que resulta en la recombinación genética.
2. Metafase 1: las tetradas de los cromosomas homólogos se desplazan hacia el ecuador de la célula formando la placa ecuatorial. Los cromosomas se mantienen juntos por quiasmas.
3. Anafase 1: se rompen los quiasmas y los cromosomas homólogos se separan. En consecuencia, cada polo recibe un juego completo de cromosomas y se divide en la mitad.
4. Telofase y citocinesis: la envoltura nuclear se regenera, los núcleos aparecen y los cromosomas se desenrollan. Después, tiene lugar la citocinesis, que da lugar a dos células hijas haploides.

Segunda división meiótica

1. Profase 2: es una etapa corta en la que desaparecen las envolturas nucleares, se forman nuevos husos y los cromosomas se condensan.
2. Metafase 2: los cromosomas se alinean en el ecuador y forman la placa ecuatorial.
3. Anafase 2: se rompen los centrómeros y las dos cromátidas de cada cromosoma se separan, arrastradas por los microtúbulos, y emigran respecto al polo de la célula.
4. Telofase 2: los cromosomas se descondensan y se forma la cromatina. Desaparecen los husos y se crean nuevas envolturas alrededor de los cuatro núcleos.
5. Citocinesis: se divide el citoplasma y se forman 4 células hijas haploides.

¿Qué son los virus?

Son estructuras sencillas que carecen de células. Los virus presentan gran variedad de formas. La mayoría están constituidos por ácidos nucleicos y proteínas. Algunos virus también poseen una estructura vírica que rodea a la cápsida.

Estructura de los virus

• Virus poliédricos: presentan una cápsida con muchas caras que rodea al ácido nucleico viral.
• Virus helicoidales: poseen una cápsula cilíndrica hueca que contiene el ácido nucleico.
• Virus complejos: formados por una cápsida poliédrica en cuyo interior se encuentra el ácido nucleico.

Los virus emergentes

Son aquellos que causan enfermedades infecciosas emergentes, es decir, una enfermedad o virus desconocido que se diagnostica por primera vez.

Los viroides y los priones

Los viroides son hebras circulares de ARN. Los viroides provocan numerosas enfermedades en las plantas superiores de gran importancia económica. Los priones son partículas infecciosas de naturaleza proteica que causan enfermedades neurodegenerativas incurables en las personas o ganado.