Bioquímica Celular: El ATP y su Rol Energético
El ATP (adenosín trifosfato) está compuesto por una adenina (base nitrogenada), una ribosa (azúcar) y tres grupos fosfato.
Entre los grupos fosfato existen enlaces de alta energía, especialmente entre el segundo y tercer fosfato (conocido como enlace fosfoanhídrido).
Importancia del ATP
El ATP actúa como la moneda energética celular. Al romperse estos enlaces de alta energía, se libera la energía necesaria para realizar diversas funciones celulares vitales, tales como el transporte activo, el movimiento celular y la síntesis de biomoléculas.
Síntesis del ATP
El ATP se sintetiza en diferentes compartimentos celulares a través de varios procesos metabólicos:
- Glucólisis: En el citoplasma.
- Ciclo de Krebs: En la matriz mitocondrial.
- Cadena de Transporte de Electrones: En la membrana interna mitocondrial.
- Fotosíntesis: En los tilacoides del cloroplasto.
Definiciones Clave en Biología Celular
- Carbono asimétrico:
- Átomo de carbono unido a cuatro grupos o átomos diferentes.
- Disolución hipertónica:
- Disolución con una concentración de solutos mayor que la del medio interno celular, lo que provoca la salida de agua de la célula.
- Disolución amortiguadora o tampón:
- Sistema químico que mantiene el pH estable al neutralizar la adición de ácidos o bases, resistiendo cambios bruscos de pH.
- Anfótero:
- Sustancia que puede comportarse como ácido o como base dependiendo del medio en el que se encuentre (por ejemplo, los aminoácidos).
Intercambios Celulares a Través de la Membrana Plasmática
La membrana plasmática regula el paso de sustancias, utilizando diferentes mecanismos de transporte.
Tipos de Transporte a Través de Membrana
- Transporte Pasivo: No requiere consumo de ATP y se produce a favor del gradiente de concentración (de mayor a menor concentración).
- Transporte Activo: Requiere energía en forma de ATP y se produce en contra del gradiente de concentración (de menor a mayor concentración).
Mecanismos de Transporte Pasivo Específicos
Ejemplos de transporte pasivo para moléculas importantes:
- Glucosa: Se transporta mediante difusión facilitada, utilizando proteínas transportadoras específicas.
- Oxígeno: Atraviesa la membrana por difusión simple, directamente a través de la bicapa lipídica.
Entrada y Salida de Macromoléculas
Las macromoléculas, debido a su tamaño, utilizan mecanismos de transporte que implican la formación de vesículas:
- Endocitosis: Proceso de introducción de sustancias en la célula mediante la formación de vesículas a partir de la membrana plasmática (ejemplos: fagocitosis para partículas grandes, pinocitosis para líquidos y solutos).
- Exocitosis: Proceso de expulsión de sustancias de la célula, donde las vesículas intracelulares se fusionan con la membrana plasmática para liberar su contenido al exterior.
Proceso General: En ambos casos, se forman vesículas que se fusionan con la membrana plasmática para liberar o incorporar sustancias.
Diferencias Fundamentales entre Célula Procariota y Eucariota
Las células se clasifican en dos tipos principales según su organización interna:
- Núcleo: Las células procariotas carecen de un núcleo definido, mientras que las eucariotas poseen un núcleo verdadero que alberga el material genético.
- Orgánulos Membranosos: Las procariotas no tienen orgánulos membranosos (como mitocondrias, retículo endoplasmático, aparato de Golgi), a diferencia de las eucariotas que sí los poseen.
- ADN: El ADN en procariotas es generalmente circular y se encuentra en el citoplasma (nucleoide), mientras que en eucariotas es lineal y se organiza en cromosomas dentro del núcleo.
- División Celular: Las procariotas se dividen principalmente por fisión binaria. Las eucariotas utilizan procesos más complejos como la mitosis y la meiosis.
- Tamaño: Las células procariotas son significativamente más pequeñas (aproximadamente 1-5 µm) en comparación con las eucariotas (aproximadamente 10-100 µm).
Teoría Endosimbiótica
La teoría endosimbiótica explica el origen de las mitocondrias y los cloroplastos en las células eucariotas. Propone que estos orgánulos evolucionaron a partir de bacterias que fueron fagocitadas por una célula ancestral y establecieron una relación simbiótica mutuamente beneficiosa.
Esta teoría fue propuesta por la bióloga Lynn Margulis.
Degradación de la Glucosa: Respiración Celular
La degradación completa de la glucosa para obtener energía (ATP) es un proceso complejo que ocurre en varias etapas.
Etapas de la Degradación de la Glucosa
- Glucólisis
- Transformación del piruvato en acetil-CoA
- Ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico)
- Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa
Localización Celular de las Etapas
- Glucólisis: Ocurre en el citoplasma.
- Transformación a acetil-CoA: Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial.
- Ciclo de Krebs: También tiene lugar en la matriz mitocondrial.
- Cadena de Transporte de Electrones: Se localiza en la membrana interna mitocondrial.
Coenzimas Reducidas: NADH y FADH₂
Durante la glucólisis, la transformación del piruvato y el ciclo de Krebs, se producen coenzimas reducidas:
- NADH (nicotinamida adenina dinucleótido reducida)
- FADH₂ (flavina adenina dinucleótido reducida)
Estas coenzimas son cruciales porque se utilizan en la cadena de transporte de electrones. Al oxidarse (ceder sus electrones), liberan una gran cantidad de energía que es utilizada para sintetizar ATP a través de la fosforilación oxidativa.
Fotosíntesis: El Proceso de Conversión Energética
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas, algas y algunas bacterias convierten la energía luminosa en energía química.
Generalidades del Proceso
- Proceso: Fotosíntesis
- Orgánulo Principal: Cloroplasto
Fases de la Fotosíntesis
- Fase Luminosa (o Reacciones Dependientes de la Luz): Ocurre en los tilacoides del cloroplasto.
- Fase Oscura (o Ciclo de Calvin): Se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto.
Rol del Agua en la Fase Luminosa
El agua (H₂O) se rompe en la fase luminosa, un proceso conocido como fotólisis del agua. Esta reacción es fundamental porque:
- Libera electrones que son utilizados en la cadena de transporte de electrones fotosintética.
- Produce protones (H⁺).
- Genera oxígeno (O₂) como subproducto, que es liberado a la atmósfera.
Componentes y Productos Clave (Esquema Referencial)
Asumiendo un esquema visual, los números podrían representar:
- 1: Entrada de agua (sustrato esencial).
- 4: Producción de O₂ (producto liberado).
- 6: Salida de glucosa (producto principal, energía química).
Importancia Biológica de la Fotosíntesis
La fotosíntesis es uno de los procesos más vitales para la vida en la Tierra debido a que:
- Produce el oxígeno atmosférico necesario para la respiración de la mayoría de los organismos.
- Fija el carbono inorgánico (CO₂) en forma de glucosa y otras moléculas orgánicas, formando la base de todas las cadenas alimenticias.
Enzimas: Biocatalizadores Esenciales
Las enzimas son proteínas especializadas que desempeñan un papel crucial en el metabolismo celular.
Definición de Enzimas
Las enzimas son biocatalizadores. Su función principal es acelerar las reacciones químicas del metabolismo celular al disminuir la energía de activación necesaria para que la reacción ocurra, sin consumirse ni alterarse permanentemente en el proceso.
Constante de Michaelis-Menten (Km)
La Km (constante de Michaelis-Menten) es un parámetro cinético que representa la concentración de sustrato necesaria para que una enzima alcance la mitad de su velocidad máxima de reacción (Vmax/2).
La Km es un indicador de la afinidad de la enzima por su sustrato:
- Km baja: Indica una alta afinidad de la enzima por el sustrato (se necesita poca concentración de sustrato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima).
- Km alta: Indica una baja afinidad de la enzima por el sustrato (se necesita mucha concentración de sustrato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima).
Mecanismos para Aumentar la Eficacia Enzimática
La actividad enzimática puede ser modulada por varios factores:
- Aumentar la concentración de sustrato (hasta la saturación de la enzima).
- Aumentar la temperatura (hasta un punto óptimo, más allá del cual la enzima se desnaturaliza).
- Ajustar el pH al valor óptimo para la enzima específica.
- Presencia de cofactores (iones metálicos) o coenzimas (moléculas orgánicas no proteicas) que asisten a la enzima.
- Activadores alostéricos que se unen a un sitio diferente del activo y aumentan la actividad enzimática.
Tipos de Inhibición Enzimática
La actividad enzimática puede ser reducida o bloqueada por inhibidores:
- Inhibición Competitiva: El inhibidor tiene una estructura similar al sustrato y compite con este por la unión al sitio activo de la enzima.
- Inhibición No Competitiva: El inhibidor se une a un sitio diferente del sitio activo (sitio alostérico), modificando la conformación de la enzima y reduciendo su capacidad catalítica.
- Inhibición Acompetitiva: El inhibidor se une únicamente al complejo enzima-sustrato (ES), impidiendo que la reacción progrese y se liberen los productos.
Estructura de las Proteínas: Niveles de Organización
Las proteínas son macromoléculas complejas cuya función depende de su estructura tridimensional.
Estructura Primaria
La estructura primaria de una proteína es la secuencia lineal específica de aminoácidos, unidos entre sí por enlaces peptídicos. Es la base que determina los niveles superiores de estructura.
Estructura Secundaria
La estructura secundaria se refiere a los patrones de plegamiento local de la cadena polipeptídica, estabilizados por puentes de hidrógeno entre los grupos -NH y -CO del esqueleto peptídico. Los tipos más comunes son:
- Alfa hélice (α-hélice): Una estructura en espiral.
- Lámina beta plegada (β-lámina): Una estructura en zigzag que puede formar láminas.
Estructura Cuaternaria
La estructura cuaternaria se forma por la asociación de dos o más cadenas polipeptídicas individuales (llamadas subunidades) que se unen para formar una proteína funcional. Un ejemplo clásico es la hemoglobina, que está compuesta por cuatro subunidades.
Desnaturalización de Proteínas
La desnaturalización ocurre cuando una proteína pierde su estructura tridimensional nativa (terciaria y/o cuaternaria) debido a la ruptura de los enlaces débiles que la mantienen. Esto generalmente conlleva la pérdida de su función biológica.
Las causas comunes de desnaturalización incluyen:
- Cambios extremos de pH.
- Temperaturas elevadas.
- Presencia de agentes desnaturalizantes (como detergentes o solventes orgánicos).
División Celular: Mitosis
La mitosis es un proceso fundamental para el crecimiento, desarrollo y reparación de tejidos en organismos eucariotas.
Tipo de División y Fases
El tipo de división celular representado es la mitosis. Sus fases, en orden secuencial, son:
- Profase
- Metafase
- Anafase
- Telofase
- Citocinesis (división del citoplasma)
Identificación de Célula Vegetal (Figura B)
La Figura B (no proporcionada, pero inferida por la descripción) representa una célula vegetal.
Razón: Durante la citocinesis, se observa la formación de una placa celular en el centro de la célula, que eventualmente dará lugar a una nueva pared celular. En contraste, las células animales realizan la citocinesis mediante un estrangulamiento de la membrana plasmática.
Acontecimientos Clave en la Mitosis
Durante la mitosis, ocurren varios eventos cruciales:
- Condensación de cromosomas: Los cromosomas se vuelven visibles y compactos (profase).
- Formación del huso mitótico: Se organiza una estructura de microtúbulos que guiará el movimiento de los cromosomas.
- Alineación en la placa ecuatorial: Los cromosomas se alinean en el centro de la célula (metafase).
- Separación de cromátidas: Las cromátidas hermanas se separan y se mueven hacia polos opuestos de la célula (anafase).
Replicación del ADN: La Duplicación del Material Genético
La replicación del ADN es un proceso esencial que asegura la transmisión fiel de la información genética a las células hijas.
Proceso de Replicación del ADN
La replicación del ADN es el proceso mediante el cual una molécula de doble hélice de ADN se copia para producir dos moléculas hijas idénticas. Este proceso ocurre antes de cada división celular, garantizando que cada nueva célula reciba una copia completa del genoma.
Estructuras y Moléculas Clave en la Replicación
La replicación del ADN es un proceso complejo que involucra la acción coordinada de múltiples enzimas y proteínas:
- Doble hélice de ADN: La molécula original que sirve de molde.
- Helicasa: Enzima que desenrolla y separa las dos hebras de la doble hélice de ADN, rompiendo los puentes de hidrógeno.
- ADN polimerasa: Enzima principal que sintetiza las nuevas cadenas de ADN, añadiendo nucleótidos complementarios a la hebra molde.
- ARN cebador (primasa): Una ARN polimerasa que sintetiza un pequeño fragmento de ARN (cebador) para iniciar la síntesis de ADN, ya que la ADN polimerasa no puede iniciar una cadena desde cero.
- Topoisomerasa: Enzima que relaja la tensión de superenrollamiento que se genera en la doble hélice de ADN a medida que se desenrolla.
- Ligasa: Enzima que une los fragmentos de Okazaki en la hebra rezagada, formando una cadena continua.
- Proteínas SSB (Single-Strand Binding proteins): Proteínas que se unen a las hebras de ADN separadas para estabilizarlas y evitar que se vuelvan a unir.
- Fragmentos de Okazaki: Pequeños segmentos de ADN que se sintetizan de forma discontinua en la hebra rezagada.
- Horquilla de replicación: La estructura en forma de “Y” que se forma en el punto donde el ADN se está desenrollando y replicando.
- Cadenas 3’ → 5’ y 5’ → 3’: Direcciones de las hebras de ADN, fundamentales para entender la síntesis unidireccional de la ADN polimerasa.
Fragmentos de Okazaki
El fragmento marcado con un asterisco (*) en un esquema de replicación del ADN es un fragmento de Okazaki.
Papel: Estos fragmentos se forman en la hebra discontinua (también conocida como hebra rezagada), que se sintetiza en dirección 5’ → 3’ pero en sentido contrario al avance de la horquilla de replicación. Posteriormente, estos fragmentos son unidos entre sí por la enzima ADN ligasa para completar la nueva hebra de ADN.