La Célula: Estructura y Función Esencial
La Membrana Plasmática y la Homeostasis Celular
Si la membrana plasmática fuera totalmente permeable y no actuara de manera selectiva, la célula perdería la capacidad de diferenciar el contenido intracelular del extracelular. Esto es crucial, ya que la composición de iones y moléculas dentro de la célula es distinta a la del exterior. Por ejemplo, la concentración de iones como sodio (Na+), potasio (K+) y calcio (Ca2+) no es la misma dentro y fuera de la célula, y esta diferencia es fundamental para procesos celulares como la transmisión de impulsos nerviosos y la contracción muscular.
La membrana plasmática, al ser selectivamente permeable, permite la entrada y salida de sustancias de forma controlada mediante canales específicos que responden a las necesidades particulares de la célula en cada momento. Por ejemplo, existen canales que permiten el paso de glucosa y que se regulan hormonalmente cuando esta está disponible para su consumo o para ser almacenada. Este control asegura que la célula reciba los nutrientes y expulse los desechos adecuados, manteniendo un ambiente interno estable y propicio para sus funciones metabólicas.
En caso de que la membrana fuera totalmente permeable, estos intercambios dejarían de estar regulados, y la célula no podría mantener su equilibrio interno (homeostasis). Esto provocaría que sustancias necesarias salieran sin control y sustancias no deseadas entraran libremente, lo cual interferiría con los procesos metabólicos y, en última instancia, conduciría a la muerte celular.
La Doble Membrana Mitocondrial y la Producción de Energía
La doble membrana de la mitocondria es fundamental para su funcionamiento metabólico, ya que permite la creación de dos compartimentos separados: el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial. Esta separación es esencial para la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa, procesos que generan la mayor parte del ATP, la molécula de energía que la célula utiliza para sus funciones.
Si la mitocondria no tuviera una doble membrana, no se podría establecer el gradiente de protones (H+) en el espacio intermembrana, que es indispensable para producir ATP. La membrana interna, que es altamente impermeable, permite que los protones se acumulen en el espacio intermembrana y luego regresen a la matriz a través de la ATP sintasa, generando energía en forma de ATP impulsada por la fuerza protón-motriz creada por el gradiente de protones.
Sin esta doble membrana, la célula perdería su capacidad para realizar una producción eficiente de ATP, afectando de manera significativa el metabolismo celular. Esto resultaría en una menor disponibilidad de energía para la célula, lo que comprometería todos los procesos dependientes de ATP, desde el transporte activo hasta la síntesis de moléculas complejas.
Tipos de Transporte Celular
Bombas
- Tipo de transporte activo que transporta iones o moléculas en contra de su gradiente de concentración, lo que requiere energía en forma de ATP.
- Son responsables de crear y mantener gradientes electroquímicos, fundamentales para diversas funciones celulares, como la excitabilidad de las neuronas.
- Ejemplo: la bomba de sodio-potasio (Na+/K+), que expulsa sodio de la célula e introduce potasio.
Difusión Facilitada
- Tipo de transporte pasivo que permite el paso de moléculas a favor de su gradiente de concentración sin gasto de energía.
- Mediado por proteínas que actúan mediante cambios conformacionales que facilitan el transporte. Existen tres tipos:
- Uniporte: una sola molécula en una dirección.
- Simporte: dos moléculas en la misma dirección.
- Antiporte: dos moléculas en direcciones opuestas.
Canales
- Tipo de transporte pasivo en el que se forman poros hidrofílicos que permiten el paso de iones a favor de su gradiente de concentración, también sin gasto de energía.
- Son específicos para ciertos iones y pueden abrirse o cerrarse en respuesta a estímulos como voltaje o ligandos.
- Ejemplos: acuaporinas para el agua.
Herramientas de Observación Celular
Diferencias entre Microscopio Óptico y Electrónico
La principal diferencia entre el microscopio óptico y el microscopio electrónico radica en cómo crean las imágenes. El microscopio óptico usa luz visible, la misma luz que percibimos a simple vista, para iluminar la muestra y ampliarla con lentes de vidrio, como en una lupa. En cambio, el microscopio electrónico utiliza un haz de electrones en lugar de luz para observar la muestra y amplía la imagen usando lentes electromagnéticas en lugar de lentes de vidrio. Esta diferencia permite que el microscopio electrónico alcance un nivel de detalle mucho mayor que el microscopio óptico, pero también hace que sea más grande y complejo.
Identificación de Células Vegetales
En la imagen se observan células vegetales, probablemente de la epidermis de una hoja. Podemos identificarlas como células vegetales porque presentan una forma prismática y alargada. Esta forma es posible gracias a la pared celular, una estructura rígida que rodea y da soporte a las células de las plantas, permitiéndoles adoptar formas definidas y organizadas.
Además, se puede ver el núcleo en cada célula, que aparece como una estructura redondeada dentro de cada compartimento celular. La visibilidad de estas estructuras sugiere que se ha utilizado un microscopio óptico para capturar la imagen, ya que este tipo de microscopio permite observar estructuras celulares generales, como el núcleo y la forma de las células, sin alcanzar el nivel de detalle de un microscopio electrónico.
Inmunología: Defensa del Organismo
Activación de la Inmunidad Adaptativa
Después del primer contacto con un agente patógeno, se activa la inmunidad adaptativa o inmunidad específica. Este tipo de inmunidad es responsable de reconocer específicamente al patógeno y generar una respuesta a medida, además de crear memoria inmunitaria para responder de forma más rápida y eficiente en contactos posteriores.
Estructura General de los Anticuerpos
Las principales proteínas implicadas en la respuesta inmunitaria adaptativa son los anticuerpos o inmunoglobulinas. Estas proteínas tienen una estructura general en forma de «Y» y están compuestas por cuatro cadenas de aminoácidos: dos cadenas pesadas y dos cadenas ligeras.
- Cadenas pesadas y ligeras:
- Las cadenas pesadas son más largas y forman la mayor parte de la estructura de los anticuerpos.
- Las cadenas ligeras son más cortas y se unen a las cadenas pesadas en los «brazos» de la «Y».
- Regiones variable y constante:
- La estructura de cada cadena presenta una región constante (C), que es similar en todos los anticuerpos de una misma clase, y una región variable (V), que es única para cada anticuerpo y le permite reconocer específicamente al antígeno del patógeno.
- Las regiones variables se encuentran en los extremos de los «brazos» de la «Y» y forman el sitio de unión al antígeno, lo que permite la unión específica del anticuerpo al patógeno.
- Sitio de unión al antígeno:
- El sitio de unión al antígeno está formado por la combinación de las regiones variables de las cadenas pesada y ligera. Esta estructura permite que los anticuerpos se unan de manera específica a un antígeno determinado, neutralizando al patógeno o marcándolo para su eliminación.
Ciclos Virales: Lítico y Lisogénico
El ciclo en el que el virus destruye la célula hospedadora se denomina ciclo lítico.
El ciclo en el que el virus permanece latente en ciertas células hasta que se reactiva debido a una bajada en las defensas inmunológicas se denomina ciclo lisogénico.
Principales Diferencias entre Ciclo Lítico y Lisogénico
- En el ciclo lítico, el virus infecta a la célula hospedadora y rápidamente utiliza su maquinaria para transcribir y traducir sus genes, produciendo así nuevas partículas virales. La estructura y función de la célula hospedadora se ven completamente comprometidas para producir y liberar estos nuevos viriones, lo que finalmente conduce a la lisis (destrucción) de la célula.
- En el ciclo lisogénico, el virus inserta su material genético en el ADN de la célula hospedadora y permanece latente sin causar daño inmediato. El ADN viral, conocido como profago, se replica junto con el ADN de la célula cada vez que esta se divide, lo que permite que el virus se transmita a la descendencia de la célula. La célula no muere ni se destruye en esta fase. Sin embargo, si las condiciones cambian (por ejemplo, estrés celular o bajada de defensas), el virus puede activarse y pasar al ciclo lítico, iniciando la producción de nuevas partículas virales y finalmente causando la destrucción de la célula.
Retrovirus: Características y Ciclo Vital
Un retrovirus es un tipo de virus que contiene ARN en lugar de ADN y utiliza una enzima llamada transcriptasa inversa para convertir su ARN en ADN dentro de la célula hospedadora. Este ADN viral se integra en el genoma de la célula, permitiendo al virus replicarse y permanecer latente en la célula.
Ciclo Vital de los Retrovirus
Los retrovirus siguen inicialmente un ciclo lisogénico, ya que su ADN se integra en el genoma de la célula hospedadora y puede permanecer en estado latente sin causar daño inmediato. Sin embargo, en ciertos momentos puede activarse y pasar a una fase en la que las partículas virales se producen continuamente y salen de la célula por gemación, permitiendo que el virus infecte nuevas células.
Sueroterapia vs. Vacunación: Estrategias Inmunitarias
La sueroterapia consiste en la administración de suero que contiene anticuerpos específicos contra un patógeno. Estos anticuerpos proporcionan una inmunidad pasiva de efecto inmediato, neutralizando al patógeno sin necesidad de que el sistema inmunológico del paciente genere sus propios anticuerpos. Este tipo de inmunidad es temporal y se utiliza en situaciones donde se requiere una respuesta rápida, como en casos de picaduras venenosas, mordeduras de animales o infecciones graves en las que el tiempo es crucial para la supervivencia del paciente.
Diferencias Clave
- En la sueroterapia, se proporciona una inmunidad pasiva artificial, ya que se administran anticuerpos listos para actuar, ofreciendo protección inmediata. Sin embargo, esta inmunidad es temporal y no genera memoria inmunitaria en el organismo, por lo que no protege contra infecciones futuras del mismo patógeno.
- En la vacunación, se introduce un antígeno (generalmente una forma atenuada o inactiva del patógeno) que estimula el sistema inmunológico del individuo para que produzca sus propios anticuerpos y células de memoria. Esto se conoce como inmunidad activa artificial y proporciona una protección más duradera, permitiendo una respuesta rápida y eficaz si la persona se expone al patógeno en el futuro, ya que el organismo «recuerda» cómo combatirlo.
Metabolismo Celular y Bioquímica
Componentes Enzimáticos y Glucólisis
- Apoenzima:
- Es la parte proteica de una enzima, que por sí sola es inactiva. Necesita un cofactor para activarse y realizar su función catalítica.
- Cofactor:
- Es una molécula o ion (como el magnesio en este caso) que se une a la apoenzima para formar la holoenzima activa. Los cofactores pueden ser iones metálicos o moléculas orgánicas llamadas coenzimas.
No, la glucólisis no se produciría de manera eficiente sin el magnesio, ya que el magnesio es un cofactor esencial para la hexoquinasa y otras enzimas involucradas en la glucólisis. Sin este cofactor, la hexoquinasa no podría activar la primera reacción de la glucólisis, y el proceso se vería bloqueado.
Vías Metabólicas en la Oxidación Completa de Glucosa
Además de la glucólisis, las vías metabólicas implicadas en la oxidación completa de la glucosa a CO2 y H2O son:
- Descarboxilación oxidativa: El piruvato, producto final de la glucólisis, se transporta a la matriz mitocondrial, donde pierde una molécula de CO2 y se convierte en acetil-CoA. Esta reacción es catalizada por el complejo de la piruvato deshidrogenasa.
- Ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico): En la matriz mitocondrial, el acetil-CoA generado en la etapa anterior se oxida en una serie de reacciones cíclicas que producen CO2, NADH y FADH2.
- Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa: Los NADH y FADH2 producidos en la glucólisis, la descarboxilación oxidativa y el ciclo de Krebs donan electrones a la cadena de transporte de electrones, que genera un gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna. Este gradiente permite la síntesis de ATP mediante la ATP sintasa y produce H2O.
Síntesis de Glucosa a partir de CO2 y H2O
En células animales:
No, las células animales no pueden sintetizar glucosa a partir de CO2 y H2O, ya que no tienen cloroplastos ni realizan fotosíntesis, el proceso necesario para la producción de glucosa a partir de CO2 y H2O.
En células vegetales:
Sí, las células vegetales pueden sintetizar glucosa a partir de CO2 y H2O mediante la fotosíntesis. Este proceso ocurre en los cloroplastos y requiere luz solar, que proporciona la energía necesaria para convertir el CO2 y el H2O en glucosa y oxígeno.
Enlaces Químicos en Biomoléculas
Entre los monómeros de la molécula A (aminoácidos) se forman enlaces peptídicos, que son un tipo de enlace covalente de tipo amida. Este enlace se da en una reacción de condensación en la cual el grupo carboxilo de un aminoácido reacciona con el grupo amino de otro, desprendiéndose H2O.
Entre los monómeros de la molécula B (desoxirribonucleótidos) se producen enlaces fosfodiéster. Este enlace se forma entre el grupo fosfato de un nucleótido y el grupo hidroxilo (-OH) del azúcar del siguiente nucleótido. Durante esta unión también se desprende una molécula de agua (H2O), ya que se trata de una reacción de condensación.
Lípidos como Principal Reserva Energética
Otra biomolécula utilizada como principal reserva energética en animales y vegetales son los lípidos, especialmente en forma de triglicéridos. Los lípidos almacenan una gran cantidad de energía y son usados como reserva a largo plazo.
Catabolismo de Lípidos
El catabolismo de los lípidos involucra las siguientes vías metabólicas:
- Lipólisis: Proceso mediante el cual los triglicéridos se descomponen en ácidos grasos y glicerol.
- Beta-oxidación (β-oxidación): Los ácidos grasos se oxidan en la mitocondria para formar acetil-CoA, que luego ingresa al ciclo de Krebs para su oxidación completa, generando energía en forma de ATP.
Biotecnología: Innovación y Aplicaciones
Conceptos Fundamentales en Biotecnología
- Organismo Modificado Genéticamente (OMG):
- Organismo cuyo material genético ha sido alterado de manera artificial mediante técnicas de ingeniería genética. Esto puede incluir la inserción, eliminación o modificación de genes específicos para obtener características deseadas, como resistencia a plagas o tolerancia a herbicidas.
- Enzima de Restricción:
- Es una proteína que corta el ADN en secuencias específicas llamadas sitios de restricción. Estas enzimas, que actúan como «tijeras moleculares», son capaces de reconocer secuencias concretas en el ADN y realizar un corte preciso en esos puntos, lo que permite manipular el material genético.
Aplicación de Enzimas de Restricción en Biotecnología
En biotecnología, las enzimas de restricción se utilizan para manipular fragmentos de ADN de manera precisa. En el proceso de clonación genética, estas enzimas permiten abrir un vector de clonación y cortar el gen de interés en los mismos sitios específicos, facilitando que ambos fragmentos se emparejen (hibriden) y se unan. Este ADN recombinante puede luego ser introducido en células hospedadoras, donde el gen de interés es transcrito y traducido, permitiendo su expresión dentro de la célula.
Biorremediación para Contaminación por Petróleo
Una solución biotecnológica para reducir la contaminación por un vertido de petróleo en la costa es el uso de biorremediación mediante microorganismos degradadores de hidrocarburos, como ciertas bacterias y hongos. Estos microorganismos son capaces de metabolizar los compuestos presentes en el petróleo y descomponerlos en sustancias menos dañinas o inofensivas para el medio ambiente. La biorremediación es una técnica efectiva porque utiliza organismos naturales o modificados para degradar contaminantes de manera biológica y ecológica, sin introducir sustancias químicas tóxicas adicionales.
Aplicaciones Biotecnológicas en la Industria
Dos aplicaciones biotecnológicas en la industria son:
- Industria farmacéutica: Producción de medicamentos, como la insulina recombinante para el tratamiento de la diabetes.
- Industria alimentaria: Desarrollo de cultivos transgénicos resistentes a plagas, como el maíz Bt, que reduce la necesidad de pesticidas y aumenta la productividad agrícola.
Genética Molecular: Procesos Clave
Moléculas y Procesos de la Expresión Génica
A continuación, se identifican las moléculas y procesos clave en la expresión génica:
- Molécula 1: ADN (Ácido Desoxirribonucleico)
- Molécula 2: ARN mensajero (ARNm) inmaduro o pre-ARNm
- Molécula 3: Proteína, se observa la estructura terciaria (3D) y funcional de la proteína.
- Proceso A: Transcripción, donde el ADN es copiado a ARN mensajero (ARNm) con exones e intrones.
- Proceso B: Splicing o corte y empalme, en el cual se eliminan los intrones y se unen los exones para formar el ARNm maduro.
- Proceso C: Traducción, en el cual el ARNm maduro es leído en el ribosoma para producir una cadena polipeptídica (proteína).
Definición de Exón
Un exón es una secuencia codificante de ADN en un gen que contiene información para la síntesis de proteínas. A diferencia de los intrones, que son eliminados durante el proceso de splicing, los exones permanecen en el ARNm maduro y son traducidos a proteínas en el ribosoma.
Afirmaciones sobre Genética Molecular (Verdadero/Falso)
- Falso. En los organismos procariotas, tanto la transcripción como la traducción ocurren en el citoplasma debido a la ausencia de núcleo. Sin embargo, en los organismos eucariotas, la transcripción ocurre en el núcleo y la traducción ocurre en el citoplasma, ya que el ARN mensajero necesita ser transportado fuera del núcleo para ser traducido en los ribosomas.
- Verdadero. Solo existe un tipo de ARN polimerasa para la síntesis de los tres tipos de ARN en procariotas.
- Falso. La ARN polimerasa II es la enzima que se encarga de la síntesis del ARNm. La ARN polimerasa III transcribe los precursores de los ARN transferentes (ARN-t), los ARN nucleares y citoplasmáticos de pequeño tamaño, y los genes para el ARN 5S que forma parte de la subunidad grande de los ribosomas.
- Falso. Los fragmentos de Okazaki son fragmentos cortos de ADN que se sintetizan en la cadena retardada durante el proceso de replicación del ADN.
- Verdadero. El splicing alternativo es un proceso por el cual los exones de un pre-ARNm pueden ser empalmados de diferentes maneras, resultando en múltiples variantes de ARNm y, por ende, en diferentes proteínas a partir de un único gen.